Свойства дипольного излучения.

Характер электромагнитного поля диполя существенно зависит от того, на каком расстоянии от диполя расположена рассматриваемая точка. Если расстояние r от центра диполя до этой точки мало по сравнению с длиной волны (r << l), то справедливы те же формулы, что и для постоянных электрического и магнитных полей. Магнитное поле убывает пропорционально 1/r², а электрическое – как 1/r³.

На больших расстояниях от диполя (r >> l) закон изменения полей становится совсем другим. Эта так называемая волновая зона представляет основной интерес.

Электромагнитное возмущение от диполя распространяется во все стороны с одинаковой скоростью. Время прохождения волны до всех точек, удаленных на расстояние r одинаково. Поэтому фаза колебаний во всех точках сферы с центром, совпадающим с центром диполя, одинакова. Значит, волновой фронт имеет сферическую форму.

Если элементарный диполь мысленно окружить двумя сферическими поверхностями 1 и 2 (рис.5), то в единицу времени через них должна проходить одинаковая энергия P, не зависимо от их радиуса (волна распространяется в вакууме, поглощение отсутствует).

Поэтому интенсивность излучения на поверхности I₁=P/S₁, I₂=P/S₂ обратно пропорциональна площади поверхности сферы и убывает как квадрат расстояния

I~1/r², (19)

а напряженность электрического поля E уменьшается с расстоянием как 1/r (см.(13), (14)).

Е ~ 1/r (20)

Элементарный диполь излучает поляризованное излучение. Плоскость поляризации (плоскость, в которой колеблется вектор Е) параллельна оси диполя.

Линии напряженности имеют вид замкнутых кривых в соответствии с вихревым характером электрического поля (см. рис 6 а)). Вектор напряженности Е перпендикулярен направлению распространения волны.

Направление вектора магнитной индукции В в каждой точке перпендикулярно к Е и к направлению распространения. Поэтому линии индукции имеют вид концентрических окружностей, лежащих в плоскостях, перпендикулярных диполю, и имеющих центр на оси диполя (см. рис6 б)).

Расчеты показывают, что диполь излучает не изотропно. В различных направлениях к оси диполя излучается различная мощность. Интенсивность излучения

I~sin²φ, (21)

где φ – угол между направлением излучения и осью диполя. Максимальная мощность излучается в направлении перпендикулярном оси диполя. Вдоль оси электромагнитные волны не излучаются.

Зависимость интенсивности волны от угла φ очень наглядно изображается с помощью диаграммы направленности диполя (рис. 7). Эта диаграмма строится таким образом, чтобы длина отрезка, отсекаемого на луче, проведенном из центра диполя под углом φ, давала интенсивность излучения диполя в этом направлении.

По теории Максвелла напряженность вихревого электрического поля пропорциональна скорости изменения магнитной индукции . Магнитная индукция В линейно зависит от скорости движения заряда , а, значит, и скорости изменения дипольного момента :

. (22)

Поэтому

. (23)

В случае гармонических колебаний (см.(16))

. (24)

Поэтому с увеличением частоты колебаний напряженность электрического поля Е растет как квадрат частоты:

, (25)

а интенсивность излучения (см.(14)) как четвертая степень частоты:

. (26)

В 1888 г. Герц опытным путем подтвердил теорию Максвелла. В качестве устройства, излучающего волны, он использовал два металлических стержня, разделенных небольшим промежутком (вибратор Герца). При подаче на стержни высокого напряжения они приобретали заряд, зависящий от их взаимной емкости, затем после достижения напряжения пробоя между стержнями проскакивала искра, замыкающая промежуток. Стержни разряжались, изменялся их дипольный момент, и происходило излучение электромагнитных волн.

На процесс излучения волн влияет еще одно важное обстоятельство. Стержни, как и любой проводник, обладают индуктивностью, поэтому они не могут мгновенно разрядиться. Их собственная емкость и индуктивность образуют колебательный контур, в котором происходят затухающие колебания. Собственная частота колебаний этого контура зависит от длины антенны. При увеличении длины растет индуктивность проводника и увеличивается емкость между его частями, следовательно, собственная частота уменьшается. Рис.8 поясняет аналогию между вибратором Герца и колебательным контуром.

Периодические колебания дипольного момента стержней в вибраторе Герца приводили к излучению в окружающее пространство цуга электромагнитных волн, а не просто одного короткого импульса, который был бы при простой разрядке конденсатора.

Антенна является открытым колебательным контуром, поскольку силовые линии магнитного и электрического полей выходят далеко за пределы диполя, в отличие от колебательного контура с дискретными элементами (закрытого контура), где все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора, а магнитное – внутри катушки. Закрытый контур не излучает электромагнитные волны.

Большинство передающих антенн, используемых сегодня – это диполи. В антеннах часто используется не два стержня, а один (в малогабаритных устройствах). Напряжение от генератора подается между стержнем и корпусом передатчика, происходит периодическая поляризация стержня, изменяется его дипольный момент, и, как следствие, происходит излучение волн. Чтобы мощность излучения была максимальной, антенна настраивается в резонанс с генератором.

Дата добавления: 2015-08-02