Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych
Dla zilustrowania rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i wzajemnego sprzężenia pól elektrycznych i magnetycznych rozpatrzymy jedną z najczęściej stosowanych linii transmisyjnych jaką jest kabel koncentryczny.
Na Rys. 1 pokazany jest rozkład pola elektrycznego i magnetycznego w kablu koncentrycznym w danej chwili \( t \). Pole elektryczne jest radialne, a pole magnetyczne tworzy współosiowe koła wokół wewnętrznego przewodnika. Pola te poruszają się wzdłuż kabla z prędkością \( c \) (zakładamy, że linia transmisyjna ma zerowy opór). Mamy do czynienia z falą bieżącą.
Rysunek pokazuje tylko jedną z możliwych konfiguracji pól odpowiadającą jednej z różnych fal jakie mogą rozchodzić wzdłuż kabla. Pola \( E \) i \( B \) są do siebie prostopadłe w każdym punkcie.
Innym przykładem linii transmisyjnej (obok kabli koncentrycznych) są tzw. falowody, które stosuje się do przesyłania fal elektromagnetycznych w zakresie mikrofal. Falowody wykonywane są w postaci pustych rur metalowych o różnych kształtach przekroju poprzecznego (bez przewodnika wewnętrznego). Ściany takiego falowodu mają znikomą oporność. Jeżeli do końca falowodu przyłożymy generator mikrofalowy (klistron) to przez falowód przechodzi fala elektromagnetyczna. Przykładowy rozkład pól \( E \), \( B \) takiej fali jest pokazany na Rys. 2 dla falowodu, którego przekrój jest prostokątem. Fala rozchodzi się w kierunku zaznaczonym strzałką.
Typ transmisji czyli rozkład pól (typ fali) w falowodzie zależy od jego rozmiarów. Zwróćmy uwagę, że rozkład pól nie musi być sinusoidalnie zmienny.
Elektromagnetyczna linia transmisyjna może być zakończona w sposób umożliwiający wypromieniowanie energii elektromagnetycznej do otaczającej przestrzeni. Przykładem takiego zakończenia jest antena dipolowa umieszczona na końcu kabla koncentrycznego pokazana na Rys. 3.
Jeżeli różnica potencjałów pomiędzy między drutami zmienia się sinusoidalnie to taka antena zachowuje się jak dipol elektryczny, którego moment dipolowy zmienia się co do wielkości jak i kierunku.
Energia elektromagnetyczna przekazywana wzdłuż kabla jest wypromieniowywana przez antenę tworząc falę elektromagnetyczną w ośrodku otaczającym antenę. Na rysunku Rys. 4 oraz Rys. 5 pokazane jest pole \( \bf E \) wytwarzane przez taki oscylujący dipol (przez taką antenę) w dwu przykładowo wybranych chwilach. Rysunek przedstawia położenie ładunków dipola i pole elektryczne wokół niego.
Zwróćmy uwagę na jeszcze jedną bardzo istotną cechę fal elektromagnetycznych. Fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się w próżni w przeciwieństwie do fal mechanicznych, na przykład fal akustycznych, które wymagają ośrodka materialnego.
Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni jest dana wzorem
lub
gdzie \( v \) jest częstotliwością, \( \lambda \) długością fali, \( \omega \) częstością kołową, a \( k \) liczbą falową.
Symulacja 1: Wizualizacja fali EM
Pobierz symulacjęProgram przedstawia spolaryzowaną liniowo falę elektromagnetyczną rozchodzącą się w kierunku y (Wektory pola elektrycznego są równoległe do osi z, a wektory pola magnetycznego do osi x). W programie można zmieniać długość fali i amplitudę pól.
Autor: Zbigniew Kąkol, Jan Żukrowski
Symulacja 2: Fale radiowe i pole elektromagnetyczne
Pobierz symulacjęNadaj audycję radiową z KPhET. Poruszaj cyklicznie elektronem w nadajniku lub ustaw oscylacje automatyczne. Obserwuj pole elektryczne w postaci wektorów bądź linii. Położenie elektronu w nadajniku i odbiorniku w funkcji czasu można obserwować na dodatkowym wykresie.