VI.4. Источники электромагнитных волн

Электромагнитной волной называют переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Существование электромагнитных волн вытекает из уравнений Максвелла, сформулированных в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Электромагнитная волна образуется вследствие взаимной связи переменных электрического и магнитного полей – изменение одного поля приводит к изменению другого, то есть чем быстрее меняется во времени индукция магнитного поля, тем больше напряженность электрического поля, и наоборот. Таким образом, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо возбудить электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью электрического колебательного контура, если уменьшать емкость конденсатора и индуктивность катушки . Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В обычном (закрытом) колебательном контуре почти все магнитное поле сосредоточено в катушке индуктивности, а электрическое поле – между обкладками конденсатора, то есть в удалении от контура электромагнитное поле практически отсутствует. Для того чтобы колебательный контур обладал высокой излучательной способностью, необходимо важное условие – переменные электрическое и магнитное поля должны занимать один объем пространства и этот объем должен быть наибольшим. Этому условию удовлетворяет открытый колебательный контур.

К открытому колебательному контуру можно перейти, если постепенно раздвигать обкладки конденсатора, одновременно уменьшая их площадь и число витков катушки (рис. 6.19). Такой видоизмененный контур обладает максимально возможной излучательной способностью и, по сути, является излучающей антенной.

Рис. 6.19

При изучении условий возникновения и распространения электромагнитных волн большую роль сыграл вибратор (или диполь) Герца. Он представляет собой два стержня с шариками на концах; стержни подключаются к источнику высокого напряжения (индукционной катушке). Когда напряжение между стержнями становится достаточно большим, между шариками проскакивает искра (рис. 6.20).

В ибратор Герца можно рассматривать как открытый колебательный контур. Емкостью в таком контуре является емкость между стержнями, преимущественно между их концами, на которых и накапливаются заряды при колебаниях. Сами стержни обладают индуктивностью. В отличие от обычного контура поле вибратора не локализовано в ограниченном обкладками конденсатора объеме, а имеет пространственный характер.

П

Рис. 6.20

ри возбуждении в вибраторе импульсов быстропеременного тока возникают колебания огромного количества электронов, движущихся с ускорением, то есть в окру-жающем вибратор пространстве возникает переменное электрическое поле. В результате возникает изменяющееся во времени вихревое магнитное поле, оно вновь порождает также вихревое электрическое поле и т. д. Возникает электромагнитная волна. Принципиальное отличие от механических волн заключается в том, что здесь колеблются не частицы среды, а векторы напряженности и индукции . Поэтому электромагнитные волны возможны и в вакууме, где отсутствуют частицы вещества.

С помощью описанного вибратора Г. Герц получил электромагнитные волны длиной примерно 3 см (ν100 МГц). Позже, в 1895 г., П.Н. Лебедеву удалось получить волны длиной 6 мм, а А.А. Глаголева-Аркадьева в 1923 г. с помощью так называемого массового излучателя получила электромагнитные волны длиной до 85 мкм.

Исследуя электромагнитные волны, Г. Герц установил, что они:

– отражаются и преломляются веществом;

– обладают свойствами интерференции и дифракции;

– являются поперечными волнами, то есть колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Известные в настоящее время электромагнитные волны различаются по способам генерации, частоте (длине волны) и свойствам. Поэтому они делятся на несколько видов – радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучения (табл. 6.1).