Дополнительный анализ поля излучения

Как уже говорилось в § 25.4, в ближней зоне излучателя основную роль играют составляющие напряженности электрического поля ?₀ и E_R, обратно пропорциональные третьей степени расстояния рассматриваемой точки до излучателя.

Эти составляющие на 90° отстают по фазе от протекающего по проводнику тока. Иначе говоря, они по фазе совпадают с зарядом одного из шаров излучающего диполя.

Из предыдущего [см. формулы (19.74), (19.75)] известно, что напряженность электрического поля, созданного диполем, заряды которого неизменны во времени, также обратно пропорциональна третьей степени расстояния рассматриваемой точки до центра диполя.

Следовательно, для определения мгновенного значения напряженности электрического поля излучающего диполя в ближней зоне практически можно пользоваться формулами, вытекающими из закона Кулона. В свою очередь, напряженность магнитного поля в ближней зоне излучателя [см. формулу (25.37)] обратно пропорциональна квадрату расстояния рассматриваемой точки до элемента тока и по фазе совпадает с током.

Из закона Био—Савара—Лапласа [см. формулу (21.36)] следует, что напряженность магнитного поля, создаваемого элементом постоянного тока, также обратно пропорциональна квадрату расстояния рассматриваемой точки до элемента тока. На основании этого можно сделать вывод, что в ближней зоне (при R «) для определения мгновенного значения напряженности магнитного поля практически можно пользоваться формулой Био—Савара—Лапласа. Применимость формул, описывающих статические поля, для подсчета мгновенных значений? и Я переменных полей в ближней зоне (при R «), объясняется тем, что в ближней зоне можно пренебречь запаздыванием.

Границы ближней зоны зависят от частоты. Так, например, при / = 50 Гц X = 6 • 10⁶ м; при / = Ю¹⁰ Гц Х = 3 см. Следовательно, при частоте 50 Гц законами Кулона и Био—Савара—Лапласа практически можно пользоваться при любом расстоянии точки до элемента тока или диполя. Совершенно иная картина будет при частоте Ю¹⁰ Гц. В этом случае границы ближней зоны удалены от излучателя всего на доли сантиметра и все пространство вокруг него следует рассматривать как дальнюю зону. В дальней зоне «кулонова» составляющая напряженности электрического поля ничтожно мала по сравнению с волновой составляющей ?, а «био—саварова» составляющая напряженности магнитного поля ничтожно мала по сравнению с волновой составляющей Я.

В ближней зоне поток вектора Пойнтинга имеет две составляющие: первая изменяется во времени по закону sin 2со/ или cos 2со/; вторая — по закону sin² со/ или cos² со/.

При подсчете потока вектора Пойнтинга через сферическую поверхность радиусом R в ближней зоне за период переменного тока оказывается, что поток от первой составляющей равен нулю, поскольку среднее за период значение функции sin 2со/ или cos2co/ равно нулю; поток от второй составляющей отличен от нуля. Физически это означает, что в ближней зоне происходит два качественно различных в энергетическом отношении процесса.

Первый — это процесс периодического обмена энергией между источником энергии, к которому присоединен излучатель, и ближней зоной. Энергия то забирается от источника и накапливается в электромагнитном поле ближней зоны, то отдается обратно источнику. Этот процесс характерен для «кулонова» и «био—саварова» полей ближней зоны.

Второй — это процесс излучения энергии, характеризующий волновой процесс в ближней зоне. Излученная энергия составляет относительно небольшую величину по сравнению с энергией, периодически накапливаемой в электромагнитном поле ближней зоны и затем отдаваемой источнику питания.

От излучателя в пространство распространяются электромагнитные волны**. Эти волны для фиксированного момента времени схематически можно представить рис. 25.5, а. На нем линии? образуют замкнутые фигуры, лежащие в меридиональных плоскостях. Линии? охвачены линиями Я, которые представляют собой окружности с центром на оси Существование электромагнитных волн экспериментально было доказано Г. Герцем в 1887—1888 гг. Справедливость электромагнитной теории света была подтверждена опытами П. Н Лебедева в 1895 г. который измерил световое давление, теоретически предсказанное Дж.К. Максвеллом. А. С. Поповым 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества был прочитан доклад об успешно проведенных опытах по приему и передаче радиосигналов. Поэтому 7 мая отмечают как День радио.

элемента тока. Чтобы не загромождать рис. 25.5, а, на нем изображены всего две линии? и две линии И.

Рис. 25.5.

Линии напряженности электрического поля в меридиональной плоскости для волновой зоны излучателя при различных моментах времени представлены на рис. 25.5, б, где изображена также кривая изменения заряда излучающего диполя в функции времени. Чем больше становятся абсолютные значения зарядов диполя, тем большее количество линий? начинается или соответственно оканчивается на них.

По мере распространения электромагнитной волны в окружающее пространство форма линий? непрерывно меняется. Когда абсолютные значения зарядов диполя начинают уменьшаться, начинает уменьшаться и число исходящих из них линий ?. При этом образуются замкнутые на себя линии ?. Пакет замкнутых на себя линий? сцеплен с пронизывающими этот пакет линиями И (см. рис. 25.5, а). В следующий полупериод, когда заряды шаров меняют знаки на противоположные, образуется аналогичный пакет замкнутых на себя линий ?, отличающийся от предыдущего лишь направлением вихря ?.