Теорема Остроградского-Гаусса.
Полный поток напряженности электрического поля через любую замкнутую поверхность прямо пропорционален заряду, находящемуся внутри данной поверхности.
Из каждого положительного точечного заряда Qследуют Q/E силовых линий. При равном отрицательном заряде такое же число силовых линий входит внутрь заряда.
Потенциал поля в какой-либо точке пространства равен работе на перемещение единичного заряда из бесконечности в данную точку поля. Разность потенциалов двух точек поля называется напряжением.
Напряжение равно работе, необходимой для перемещения единичного потенциального заряда из одной точки поля в другую. Если электрическое поле однородно и имеет напряженность E, то между потенциалами любого участка силовой линией длиной Lимеется разность потенциалов:
Для электростатического поля характерно, что на перемещение заряда по замкнутой траектории не затрачивается энергия, т.к. начальная и конечная точки этой траектории совпадают и разность потенциалов между ними равна нулю.
Магнитное поле имеет вихревой характер. Не имеет начала и конца.
Ток проводимости прямо пропорционален напряженности электрического поля, а ток смещения прямо пропорционален скорости изменения электрического поля. Ток проводимости, переходящий в обкладку конденсатора, переходит в равный по плотности ток смещения между обкладок конденсатора.
13.
Различают свободные и направленные электромагнитные волны. Свободные волны излучаются и распространяются в неограниченно свободном пространстве. Направленные волны распространяются вдоль линии передачи.
Выводы:
Электромагнитные волны представляют собой совокупность электрических и магнитных полей, которые изменяются синусоидально во времени, относительно неподвижного наблюдателя и распространяются вдоль оси x со скоростью V. Она зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света (3*10^8 м/с).
У электрического поля есть только ось OZ, у магнитного — только ось OY. Т.к. плотность перпендикулярна направлению распространению волны по x, то волну можно назвать поперечнойэлектромагнитной волной.
Между амплитудой электрического и магнитного полей существует прямая пропорциональность:
Коэффициентом пропорциональности является сопротивление среды, которое выражает отношение составляющей напряженности эл. поля в поперечной плотности, к составляющей напряженности магнитного поля.
В поперечной электромагнитной волне плотность энергии электрического поля равна плотности энергии магнитного поля.
14.
Луч – линия, вдоль которой распространяются электромагнитные волны.
Фронт волны – геометрическое место точек, в которой фазы электромагнитной волны совпадают.
Сферические волны возбуждаются в однородной среде точечным излучателем. Фронт таких волн имеет форму сферы.
Плоские волны – в природе не существуют, но на большом расстоянии от излучателя сферических волн, сферическая волна приближается к плоской.
Цилиндрические волны излучаются прямолинейным источником большой длины (провод).
Поляризация — процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов
Плоскостьполяризации – это плоскость, проходящая через вектор электрического поля и линию распространения электромагнитных волн. На практике встречаются волны с линейной (плоской), эллиптической и круговой поляризацией.
Плоскополяризованнаяволна – это волна, у которой положение вектора электрического поля неизменно относительно направления распространения волны. Наиболее распространены плоские волны с вертикальной и горизонтальной поляризацией.
Для получения волн с эллиптической поляризацией должно произойти сложение двух волн и при этом выполняться условие:
эти волны имеют равную частоту;
плоскости поляризации складываемых волн должны быть взаимно перпендикулярны;
амплитуда (интенсивность) волн должна быть различна;
между составляющими волн имеется постоянный сдвиг по фазе.
В результирующей волне векторы электрического и магнитного полей сохраняют взаимную перпендикулярность и каждый из векторов в любой точке пространства описывает эллипс.
15.
Правило буравчика.
Если буравчик с правой резьбой вращать по кратчайшему пути от вектора Eдо вектора H, то поступательное движение буравчика укажет направление распространения электромагнитной волны (направление вектора Умова-Пойнтинга).
В 1874 году профессор Умов ввел понятие о потоке энергии. В 1880 году Пойнтинг применил это понятие к исследованию электромагнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга – это вектор, указывающий направление распространения электромагнитной энергии и равный по величине мощности потока электромагнитной волны, проходящего через единичную площадку, расположенную перпендикулярно к направлению движения волны.
S=EH
16.
Излучение радиоволн – это процесс преобразования энергии высокочастотных колебаний в энергию электромагнитных волн.
Вектор Е можно разложить на 2 составляющие Е1 и Е2. Составляющая Е1 сдвинута относительно тока на 90˚ и характеризует реактивную энергию, которая движется от провода, а затем полностью возвращается в него (нет полезного излучения). Составляющая Е2 находится в противофазе с токами и характеризует энергию, излучаемую проводом. Энергия выделяется за счет протекания тока смещения между проводами через волновое сопротивление пространства.
Увеличение E2 в приоритете, частота должна быть соизмерима с длиной. Для высоких частот возможно появление электромагнитных волн.
Два провода компенсируют друг друга. Вектора напряженности будут противоположно направленны. Если их раздвинуть будет сдвиг по фазе, но излучения будет минимальным. Нужно развернуть провода, чтобы они были на одной оси. Тогда получится симметричный вибратор.
Выводы:
1) для увеличения значения φ следует выбирать длину провода r достаточно большой и соизмеримой с длиной волны;
2) практически требуемое для эффективного излучения соотношение между r и λ достигается лишь при возбуждении в излучающем проводе тока высокой частоты.
При параллельном или близком друг к другу расположении проводов электрические и магнитные поля разных проводов взаимно компенсируются в результате чего излучение энергии не происходит. Для устранения взаимной компенсации электрического и магнитного полей следует увеличить расстояние между проводами. Наиболее эффективное излучение достигается при развертывании двухпроводной линии в одну прямую линию. Такое устройство называется симметричным вибратором.
Свойства:
1) в точках разных плеч вибратора, равноудаленных относительно источника питания токи совпадают по фазе, а фазы напряжений противоположны;
2) симметричный вибратор вдоль своей оси не излучает, излучение происходит в плоскости, перпендикулярной оси вибратора.
17.
Любую среду с точки зрения распространения в ней электромагнитных волн можно отнести к одной из четырех групп:
1) идеальному диэлектрику;
2) идеальному проводнику;
3) неидеальному диэлектрику;
4) неидеальному проводнику.
1) σ =0, ε’=ε. Такой случай соответствует идеальному диэлектрику, в котором существует только ток смещения и возникают наилучшие условия для распространения электромагнитных волн.
2) σ →∞. В формуле остается только мнимая часть. Такой случай соответствует идеальному проводнику, в котором не может быть тока смещения и не возможно движение электромагнитной энергии.
3) σ - не велико. Этот случай соответствует неидеальному диэлектрику. При этом наряду с основным током смещения существует некоторый ток проводимости, чем больше частота, тем больше и больше ток смещения. Таким образом, одно и то же вещество в зависимости от частоты может быть и проводником, и диэлектриком.
4) ε*ω/σ ≠ 0. Неидеальный проводник.
Одно и то же вещество может быть и проводником, и диэлектриком. На высоких частотах диэлектрические свойства повышаются. Глубина проникновения зависит от длины волны.
Поверхностный эффект: волна распространяется вдоль поверхности проводника, не проникая вглубь.
18.
При переходе электромагнитных волн из одной среды в другую они могут подвергаться отражению, преломлению, интерференции и дифракции.
Отражение заключается в том, что волны, падающие на границу раздела двух сред с различными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, возвращаются в ту же среду.
Явление преломления заключается в том, что волны при переходе из среды с параметрами ε1, μ1 в среду с параметрами ε2, μ2 изменяют свою скорость распространения, вследствие чего изменяют и направление распространения.
На практике среда меняется плавно и угол падения примерно равен углу преломления.
Интерференция – явление сложения электромагнитных волн. При равных частотах складываемых волн результирующая волна (ее интенсивность) определяется сдвигом фаз между складываемыми волнами. Пример интерференции – сложение падающих и отраженных волн в длинной линии, в результате которого получаются стоячие волны.
Дифракция – способность электромагнитных волн отклоняться от прямолинейного распространения, благодаря чему волны могут огибать препятствия, на которые они падают. Дифракция возникает из-за того, что место падения волны становится источником вторичных волн.
19.
На границераздела двух сред идеального диэлектрика и идеальногопроводника, когда луч падает на поверхность, электрическое поле не имеет тангенциальной (параллельной) составляющей, а магнитное не имеет нормальной (перпендикулярной).
20.
Различают четыре ионизированных слоя.
D – находится на высоте (60-80) км
Е – находится на высоте (100-130) км
F1 - находится на высоте (180-230) км
F2 - находится на высоте (250-450) км
Наименее ионизированным слоем является слой D, наиболее ионизированным слой F. Между слоями находится воздух. В ночное время из-за отсутствия ионизации (нет солнечных лучей) интенсивность слоев снижается, а слои D и E полностью исчезают. Высота слоя F уменьшается и приближается к значению 200 км.
Для длинных характерно, а для УКВ нет (они проходят сквозь ионосферу). Для длинных волн ионосфера является проводником.
От проводника электромагнитные волны отражаются.
ДВ не подходят для высокоскоростной передачи информации, нужна большая антенна.
21.
Для ДВ нужна большая антенна, низкий КПД, атмосферные шумы.
В этом диапазоне (1000-10000 м) земная поверхность и ионосфера близки к идеальному проводнику, от которого полностью отражается волна. В точку приема сигнал может прийти двумя путями:
1) земная волна – волна распространяется вдоль поверхности Земли за счет дифракции.
2) пространственная волна – распространяется за счет последовательного отражения волны от Земли и ионосферы.
В любой точке приема происходит сложение волн, пришедших обоими путями (интерференция). Возникает фединг (явление замирания сигнала в точке приема). Замирания происходят медленно и, поэтому мы их практически не улавливаем.
Длинные волны используются для радиовещания относительно невысокого качества и для радионавигации.