Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. Радиосвязь

В 1865 году великий английский физик Джеймс Клерк Максвелл создал классическую макроскопическую теорию электромагнитного поля, объединив все известные явления электричества, магнетизма и оптики в систему четырех фундаментальных уравнений.

Два ключевых положения теории Максвелла:

1. Первое положение Максвелла (обобщение закона Фарадея):

Всякое изменение магнитного поля во времени порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле E.

В отличие от электростатического кулоновского поля, силовые линии вихревого поля замкнуты сами на себя, а его работа по замкнутому контуру отлична от нуля (она равна ЭДС индукции: ∮ E dl = - dФ/dt). Для возникновения вихревого поля проводники не требуются — оно возникает в чистом вакууме!

2. Второе положение Максвелла (гипотеза о токе смещения):

Всякое изменение электрического поля во времени порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле B (ток смещения: j_см = dD/dt).

Электромагнитная волна:

Из теории Максвелла прямо следовало: переменное электрическое поле создает переменное магнитное, которое в свою очередь создает переменное электрическое и т.д. В пространстве возникает единое самоподдерживающееся электромагнитное возмущение — электромагнитная волна, распространяющаяся во все стороны от ускоренно движущегося заряда со скоростью:

c = 1 / √(ε₀ · μ₀) ≈ 300 000 км/с = 3 · 10⁸ м/с.

Совпадение этой скорости со скоростью света позволило Максвеллу сделать гениальный вывод: свет есть электромагнитная волна!

Существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Максвелла, было экспериментально доказано немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 году с помощью искрового вибратора (открытого колебательного контура) и проволочного резонатора.

Фундаментальные свойства электромагнитных волн:

1. Поперечность: электромагнитная волна является поперечной волной. Вектор напряженности электрического поля E, вектор магнитной индукции B и вектор скорости распространения волны c взаимно перпендикулярны (E ⊥ B ⊥ c) и образуют правовинтовую тройку векторов;

2. Синфазность: колебания векторов E и B происходят в одинаковых фазах — они одновременно достигают максимумов и одновременно обращаются в ноль;

3. Скорость распространения в среде: в диэлектрической среде скорость волны уменьшается в n раз:

v = c / √(ε · μ) = c / n, где n = √(ε · μ) — показатель преломления среды;

4. Волновые свойства: в опытах Герца было доказано, что электромагнитные волны испытывают отражение от проводников (угол падения равен углу отражения), преломление на границе диэлектриков, интерференцию, дифракцию (огибание препятствий) и поляризацию.

Электромагнитная волна переносит в пространстве энергию электромагнитного поля.

Объемная плотность энергии волны w равна сумме плотностей электрического и магнитного полей:

w = w_э + w_м = (ε · ε₀ · E²) / 2 + B² / (2 · μ · μ₀).

Поскольку в бегущей волне плотности электрической и магнитной энергий в каждый момент времени строго равны (w_э = w_м), полная плотность энергии равна: w = ε · ε₀ · E².

Плотность потока электромагнитного излучения (интенсивность волны I):

Физическая величина, численно равная электромагнитной энергии ΔW, переносимой волной за единицу времени Δt через единичную площадку ΔS, перпендикулярную направлению распространения волны:

В Международной системе СИ интенсивность измеряется в Ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Вектор плотности потока энергии был введен русским физиком Николаем Умовым (1874 г.) и английским физиком Джоном Пойнтингом (1884 г.) — вектор Умова — Пойнтинга:

S = E × H, где модуль S = I = w · c.

Зависимость мощности излучения от частоты (закон Рэлея):

Мощность электромагнитного излучения точечного колеблющегося диполя пропорциональна четвертой степени частоты колебаний: P_изл ~ ν⁴ ~ ω⁴!

Именно поэтому низкочастотный ток 50 Гц практически не излучает энергию в пространство (длина волны λ = c/ν = 6000 км), а для эффективного радиовещания и мобильной связи необходимы высокочастотные колебания (сотни мегагерц и гигагерцы).

Все электромагнитные волны имеют общую физическую природу и подчиняются фундаментальным уравнениям Максвелла, отличаясь лишь частотой ν и длиной волны в вакууме λ = c / ν.

Диапазоны шкалы электромагнитных волн:

1. Низкочастотные волны (ν < 10⁴ Гц, λ > 30 км): генерируются генераторами переменного тока (50 Гц в ЛЭП);

2. Радиоволны (10⁴ — 3 · 10¹¹ Гц, λ от десятков километров до 1 мм): генерируются колебательными контурами и полупроводниковыми генераторами (радиовещание, телевидение, Wi-Fi, сотовая связь, радиолокация);

3. Инфракрасное излучение (ИК, 3 · 10¹¹ — 4 · 10¹⁴ Гц, λ = 780 нм — 1 мм): тепловое излучение колеблющихся молекул нагретых тел (пульты ДУ, тепловизоры, приборы ночного видения);

4. Видимый свет (4 · 10¹⁴ — 7.9 · 10¹⁴ Гц, λ = 380–780 нм): оптический диапазон от красного (780 нм) до фиолетового (380 нм), воспринимаемый сетчаткой глаза человека;

5. Ультрафиолетовое излучение (УФ, 8 · 10¹⁴ — 3 · 10¹⁶ Гц, λ = 10–380 нм): излучение атомов при переходах валентных электронов (загар, бактерицидные лампы, люминесценция);

6. Рентгеновское излучение (3 · 10¹⁶ — 3 · 10¹⁹ Гц, λ = 10⁻¹²–10⁻⁸ м): торможение быстрых электронов на аноде рентгеновской трубки (флюорография, досмотровые сканеры);

7. Гамма-излучение (γ, ν > 3 · 10¹⁹ Гц, λ < 10⁻¹² м): ядерные реакции, космическое излучение, дефектоскопия.

Закономерность шкалы: с уменьшением длины волны λ волновые свойства (интерференция, дифракция) проявляются слабее, а квантовые (корпускулярные, фотонные) свойства проявляются все отчетливее!

7 мая 1895 года русский ученый Александр Степанович Попов продемонстрировал первый в мире радиоприемник на заседании Русского физико-химического общества, положив начало эре радиотехники.

Принципы организации радиосвязи:

1. Звуковые колебания речи (20–20 000 Гц) не могут быть излучены в пространство напрямую из-за малой частоты (P ~ ν⁴ ≈ 0);

2. Модуляция: генератор создает высокочастотные колебания (несущую частоту ν_нес ~ МГц), на которые накладывается звуковой сигнал:

• Амплитудная модуляция (АМ) — изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону звукового сигнала;

• Частотная модуляция (ЧМ, FM) — изменение частоты несущей волны при постоянной амплитуде (обеспечивает высокую помехоустойчивость и качество звука);

3. Излучение: промодулированный высокочастотный сигнал поступает в передающую антенну и излучается в виде радиоволны;

4. Прием: в приемной антенне индуцируются слабые токи всех станций; резонансный контур приемника настраивается на нужную несущую частоту станции;

5. Детектирование (демодуляция): с помощью диода сигнал выпрямляется, а сглаживающий фильтр отсекает высокую частоту, выделяя исходный звуковой сигнал низких частот на динамик.

Радиолокация — обнаружение объектов и определение их точных координат с помощью отражения ультракоротких радиоволн (СВЧ). Расстояние до объекта вычисляется по времени запаздывания отраженного эхо-импульса: R = (c · Δt) / 2.