Loading...
 

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.

: Rozkład pól magnetycznego i elektrycznego w fali elektromagnetycznej w kablu koncentrycznym
Rysunek 1: Rozkład pól magnetycznego i elektrycznego w fali elektromagnetycznej w kablu koncentrycznym


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.

: Rozkład pól magnetycznego i elektrycznego fali elektromagnetycznej w prostokątnym falowodzie (dla polepszenia czytelności na rysunku górnym pominięto linie {OPENAGHMATHJAX()}B{OPENAGHMATHJAX} a na dolnym linie {OPENAGHMATHJAX()}E{OPENAGHMATHJAX})
Rysunek 2: Rozkład pól magnetycznego i elektrycznego fali elektromagnetycznej w prostokątnym falowodzie (dla polepszenia czytelności na rysunku górnym pominięto linie \( B \) a na dolnym linie \( E \))


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.

: Elektryczna antena dipolowa na końcu kabla koncentrycznego
Rysunek 3: Elektryczna antena dipolowa na końcu kabla koncentrycznego


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.

: Fala elektromagnetyczna emitowana przez drgający dipol elektryczny
Rysunek 4: Fala elektromagnetyczna emitowana przez drgający dipol elektryczny
: Fala elektromagnetyczna emitowana przez drgający dipol elektryczny
Rysunek 5: Fala elektromagnetyczna emitowana przez drgający dipol elektryczny


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

\( {c=\mathit{\lambda v}} \)


lub

\( {c=\frac{\omega }{k}=\frac{E_{{0}}}{B_{{0}}}} \)


gdzie \( v \) jest częstotliwością, \( \lambda \) długością fali, \( \omega \) częstością kołową, a \( k \) liczbą falową.

Symulacja 1: Wizualizacja fali EM

Pobierz symulację

Program 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 symulację

Nadaj 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.

Autor: PhET Interactive Simulations University of Colorado(external link)

Licencja: Creative Commons Attribution 3.0 United States(external link)


Ostatnio zmieniona Środa 22 z Lipiec, 2015 07:55:16 UTC Autor: Zbigniew Kąkol, Kamil Kutorasiński
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.