Излучение и особенности распространения электромагнитных волн.

[Al]

Вам хорошо известно, что если к проводнику, по которому течёт переменный ток, поднести другой проводник, то в этом проводнике возникнут наведенные токи, направление  которых будет обратным тем токам, которые текут в исходном проводнике. Задавали Вы ли себе когда-нибудь вопрос, откуда берутся те электрические поля, которые являются причиной появления индуцированных токов в проводнике, который вы подносите к исходному проводнику?

...тут я думаю взаимная индукция, правда там рассматривается контур с током, но у нас же тоже раскрытый колебательный контур.
...вообще при достаточном близком расположении проводов токи противофазны, начиная с расстояния L/4 фазные итд.
...на этом принципе построены многоэлементные антенны. Активный вибратор , пасивный рефлектор и пассивные директора....

....с уважением, Алексей

[Фёдор Менде]

До вибраторов, директоров и рефлекторов мы ещё дойдём, не вся сразу.

Прокоментирую Ваш предыдущий пост.
Вы правильно поняли, но если учитывать только этот факт, то дальше колебательных процессов в колебательном контуре, которым является резонансная антенна, мы не продвинемся. Наша задача заключается в том, чтобы найти те механизмы, которые приводят к излучению энергии в виде ЭМ волн. И путь к этому пониманию лежит через выяснение роли электрических полей индукции в этом процессе. Мы пока не будем вдаваться в физическую природу их появления, этот вопрос мы рассмотрим позже. Отметим лишь тот факт, что поля индукции появляются только в том случае, когда в проводниках имеет место ускорение зарядов. Процесс протекает следующим образом. Чтобы ускорить заряды в проводнике в них необходимо наличие электрического поля. Это поле обеспечивает разность потенциалов на рассматриваемых сферах, а периодичность этого поля обеспечивает колебательный процесс в колебательном контуре. Но если электрические поля, ускоряющие заряды, имеются в самом проводнике, то поля индукции, направленные против ускоряющих полей имеются не только в проводнике, но и снаружи самого проводника. Но на создание внешних полей индукции требуется энергия, поскольку любое электрическое поле обладает удельной энергией равной 1/2 епсилон Е^2. И получается так, что, расходуя энергию на ускорение зарядов в проводнике, соединяющем сферы, расходуется энергия и на создание полей индукции вне этого проводника. Но сами поля индукции, и это следует из свойств векторного потенциала, являющегося следствием закона Био и Савара, обладают удивительным свойством, они даже для очень низких частот убывают по закону 1/r, что соответствует законам излучения. Эти поля обладают и вторым важным свойством. Они распространяются в пространстве со скоростью света.
Таким образом, накопленная в контуре энергия, заключённая в полях ближней зоны, ускоряя заряды в проводнике, и создавая тем самым поля индукции, превращается в поля излучения.

Но спрашивается, почему не излучают ЭМ волны линии электропередач, по которым передают частоту в 50 Гц. Почему не излучают ЭМ волн силовые трансформаторы, по обмоткам которых текут переменные токи. Для того, чтобы это понять, следует прочитать текст с первой по шестую страницу работы http://fmnauka.narod.ru/I.pdf  и понять, что изображено там на двух рисунках.

[Фёдор Менде]

Линии электропередач не излучают ЭМ волны по той причине, что их размеры значительно меньше длины волны, соответствующей частоте 50 Гц. Длина волны при такой частоте составляет 6000 км. И для того, чтобы антенна излучала на этой частоте её длина должна быть соизмерима с длиной волны. Если же речь идёт об излучении линии, по которой текут противофазные токи, то расстояние между её проводниками должно быть прядка 3000 км.
Мы рассмотрели открытый резонансный контур, которым является виратор Герца и выяснили, что в режиме собственных колебаний причиной излучения являются индукционные токи. Теперь выясним при каких условиях такая антенна максимально быстро будет излучать накопленную в ней энергию. Известно, что отношение электрического поля к магнитному у ЭМ волны в свободном пространстве равно волновому сопротивлению свободного пространства, которое составляет 377 Ом. Антенна будет согласована со свободным пространством в том случае, когда на поверхности её проводников отношение электрического поля индукции и магнитного поля текущего по проводникам тока также будет равно 377 Ом. Для этого необходимо, чтобы характеристическое сопротивление резонансного контура (корень квадратный из отношения индуктивности к ёмкости контура), которым является антенна, было равно 377 Ом. Для того чтобы соблюсти это условие в полуволновом вибраторе подбирают соответствующую длину трубок, регулируя тем самым его ёмкость, и толщину трубок, регулируя его индуктивность.
До сих пор мы рассматривали ЭМ излучение  антенны в свободном режиме. При этом выяснили, что это излучение происходит на её резонансной частоте. Что нужно сделать, чтобы антенна могла работать в непрерывном режиме. Очевидно, необходимо при помощи подводящей линии подводить к резонансному контуру ту энергию, которую антенна теряет на излучение. Делают это при помощи подводящей линии, но волновое сопротивление  линию тоже нужно согласовать с характеристическим сопротивлением резонансного контура антенны. Делается это известным способом при помощи трансформатора.
Что будет, если мы будем работать не на резонансной частоте, а начнём сдвигаться по частоте в ту или иную сторону. Если начнём сдвигаться вниз, та антенна уже не будет представлять для линии чисто активную нагрузку, а появится дополнительная индуктивная составляющая. Если будем сдвигаться вверх – появится дополнительная ёмкостная составляющая. На такую нагрузку генератор работает плохо, и часть энергии будет отражаться от антенны. Для того, чтобы избежать этого эти реактивности компенсируют подключением к антенне соответствующих обратных реактивностей. Эта операция, равноценна настройке антенного резонансного контура на другую частоту.
Если вопросов по физике работы антенны нет, то нам осталось выяснить физические причины возникновения электрических полей индукции. Ответа на этот вопрос в имеющейся литературе нет.

[Al]

Линии электропередач не излучают ЭМ волны по той причине, что их размеры значительно меньше длины волны, соответствующей частоте 50 Гц. Длина волны при такой частоте составляет 6000 км. И для того, чтобы антенна излучала на этой частоте её длина должна быть соизмерима с длиной волны. Если же речь идёт об излучении линии, по которой текут противофазные токи, то расстояние между её проводниками должно быть прядка 3000 км.

Добрый день.

...не успеваю отвечать, занят на работе ))
...согласен
...линия электропередач как правило два провода, расстояние между проводами небольшое по сравнению с длиной волны, токи в линии противофазны  - излучения нет
...даже в двухпроводной линии для питания антенн с волновым сопотивлением 300-600 Ом, так же в проводах токи противофазны, расстояние между проводами от 10 до 20 см, что гораздо меньше длины волны - тоже излучения нет в дальней зоне.

...в контуре (катушка индуктивности) на одном витке всегда можно найти противофазные токи - тоже излучения нет
...в трансформаторе тож самое, что в катушке индуктивности.

...вот полотно антенны (провод) не всегда согласовываем  с волновым сопротивлением пространства.
...если антенна проволочная, то пользуется доступный диаметр провода и волновое сопротивление этого провода может отличаться от волнового сопротивления свободного пространства
...если антенна (волновой канал) из дюралевых труб, то если честно, тож не слышал о том, чтоб диаметр труб выбирался таким, чтоб вибратор имел распределенные L и С под волновое сопротивление пространства.
...Обычно их выбирают исходя из механической прочности антенны
...длиной трубок - волновое сопротивление элемента не изменить
...волновое сопротивление, как вы правильно указали это корень квадратный из отношения распределеной индуктивности к распределенной емкости.
...особых проблем с излучением в этом плане нет.
...но подумать стоит, надо померить (оценить) какое волнове сопротивление имеет к примеру медный провод диаметром 2 мм.

...вашу статью пробежал мельком, не было времени, посмотрю попозже....математику знаю плохо (кроме как синус косинус и плюс минус))
...поэтому смотрю только конечные формулы и быть опонентом не могу.
...на выводах обязательно задержусь, попробую проанализировать.

...жду дальнейших пояснений.
...с уважением, Алексей

[Фёдор Менде]

Какие моменты в объяснении физики работы антенны Вам не понятны?

[Al]

Какие моменты в объяснении физики работы антенны Вам не понятны?

...на данный момент понятно
...как перейти к ЭМВ ?
...какие поля и токи  учавствуют при зарождении ЭМВ
...каким образом энергия колебательного процесса поддерживает ЭМВ?
...в каком месте по длине полотна антенны максимальное излучение?
...как и когда происходит подпитка энергии колебательного процесса при излучении ЭМВ
...в какой момент времени происходит подпитка и излучения ? Это разные моменты времени или единый процесс?
...существует ли в проводе ток бегущей волны и его назначение?
...я так полагаю это все будующие моменты объяснения

...в моем понимании это было все проше:))
...видимо не особо правильно ))
...готов вас выслушать .


...с уважением, Алексей

...
PS: можно ли на нашем (радиолюбительсокм форуме) дать ссылку на этот форум?
.....быть может будут желающие присоединиться

[Фёдор Менде]

..как перейти к ЭМВ ?

К ЭМВ перейти очень просто. Поскольку в колебательном контуре антенны имеется периодический процесс, то и ускорение зарядов, порождающих поля индукции, также меняется периодически. Если учесть, что поля индукции улетают от проводников антенны со скоростью света (запаздывают на время c/r по отношению к месту расположению антенны) и убывают по закону 1/r, сразу получаем пространственную периодическую зависимость электрического поля от расстояния до антенны. Другими словами, в результате запаздывания временные зависимости индукционных полей на поверхности проводников антенны превращаются в пространственные зависимости этих полей.
 
...какие поля и токи  учавствуют при зарождении ЭМВ?

Причиной появления индукционных электрический полей является ускорения зарядов в проводниках антенны. Ускоряемые заряды порождают индукционные электрические поля, которые, распространяясь с конечной скоростью, образуют ЭМВ.

...каким образом энергия колебательного процесса поддерживает ЭМВ?

В случае свободного колебательного процесса энергия, запасённая в полях ближней зоны, заставляет двигаться заряды в проводниках с ускорением, далее понятно.

...в каком месте по длине полотна антенны максимальное излучение?

В том месте, где максимальны поля индукции.

...как и когда происходит подпитка энергии колебательного процесса при излучении ЭМВ?

Антенна это обычный колебательный контур, в котором кроме омических потерь имеются ещё и потери на излучение. С учётом этого можно вычислить эквивалентную добротность колебательного контура. Для того, чтобы компенсировать в контуре потери и поддерживать амплитуду колебаний постоянной, требуется к контуру подключить питающий генератор. Можно подключить непосредственно, сделав саму антенну колебательным контуром генератора, можно подключить генератор через линию связи. При этом нужно при помощи трансформатора согласовать волновое сопротивление линии с характеристическим сопротивлением контура, для чего используются согласующие устройства.

...в какой момент времени происходит подпитка и излучения ? Это разные моменты времени или единый процесс?

Когда вы питаете колебательный контур от линии передачи, то при согласованной нагрузке, в линии имеет место бегущая волна. Если записать вектор Пойнтинга для этой волны, то будет видно, что энергия, пересекающая поперечное сечение линии, пропрциональна sin ^2омега t, т.е. за период она дважды будет достигать максимума и дважды будет проходить через нулевое значение.

...существует ли в проводе ток бегущей волны и его назначение?

В лини передачи, соединяющую согласованный контур с генератором, бегущая волна при постоянном значении амплитуды переменного напряжения на входе линии переносит постоянную среднюю мощность. В проводниках антенны, при наличии полей ближней зоны имеется и бегущая волны, энергия которой расходуется на излучение, и стоячая волна обеспечивающая наличие полей ближней зоны.

PS: можно ли на нашем (радиолюбительском форуме) дать ссылку на этот форум?
.....быть может, будут желающие присоединиться.

Можно.

Имеются ли ещё вопросы?

[Al]

Имеются ли ещё вопросы?

...спасибо, сначал обдумаю то на что вы ответили.

...с уважением, Алексей

[Al]

Добрый день.

...попробую сделать вывод (для себя)

...неподвижный заряд - это электрическое поле
...равномерно движущий заряд (постоянный ток) - это магнитное поле
...ускоренно движущийся заряд (переменный ток, излучение) - это связаное, и электрическое поле, и магнитное поле

...в колебательном процессе:
...есть моменты времени когда заряд неподвижен - здесь образуется стоячая волна напряжения и вся энергия накопленная в антенне в электрическом поле
...есть моменты времени когда движение заряда с максимальной скоростью (переход от ускорения к торможению) - здесь образуется стоячая волна тока вся энергия накопленная антенной в магнитном поле
...и есть момент времени когда движение заряда ускоренное (ускорение и торможение) - взаимодействуя с полями стоячих волн (ускоряющее\замедляющее движения зарядов) индуцируется ЭМВ

...это так в простейшем рассмотрении, или что то упустил?

...с уважением, Алексей

PS: в момент накопления энергии антенной антенна тоже излучает? (думаю, что да)
......или сначала необходимо её накопить до возможного максимума, а потом излучать? (есть такое мнение в радиолюбительской среде)
PS PS: и еще ускорение движения заряда - за счет внешнего поля, за счет того что ток переменный, или и то и другое вместе?
.........в диполе Герца - там собственные колебания, а мы имеем дело с вынужденными колебаниями.
..........чтото всеж до конца не разобрался ))
..........извеняюсь за тупость )))

[Фёдор Менде]

Вы всё поняли правильно. Единственно на чём нужно акцентировать внимание. Свободные колебания в диполе Герца рассмотрены для большей наглядности процесса, поскольку нужно было рассмотреть сам процесс образования индуцированных электрических полей и их роль в образовании ЭМВ. Нужно было также показать принципиальное отличие между полями ближней зоны и полями излучения. Если мы накопили каким-то образом (как это делал Герц) энергию в диполе в полях ближней зоны, а затем дали возможность зарядам свободно колебаться, то такие колебания начнут затухать ввиду омических потерь и потерь на излучение. Для того чтобы восполнить эти потери и имеется подпитка резонансного контура антенны от генератора через линию связи.
Теперь давайте посмотрим на процесс с другой стороны. Есть невозбуждённый резонансный контур антенны и к нему мы через линию связи подключаем генератор. В резонансном контуре амплитуда колебаний не может вырасти мгновенно, а будет нарастать по экспоненте (представьте качель, которую вы дёргаете за верёвку, или раскачиваете параметрическим способом, опуская и поднимая ноги). Поэтому и ЭМВ, излучаемые антенной будет нарастать по экспоненте, и только после того, как в контуре амплитуда установится, мощность излучения антенны достигнет максимального значения. Но ведь антенна призвана передавать модулированный по амплитуде сигнал, как здесь быть. Формальный ответ на этот вопрос заключается в том, что модулированный сигнал имеет спектр, который должен помещаться в полосу пропускания резонансного контура антенны. Физически это означает, что в контуре с большой добротностью нельзя слишком быстро изменить амплитуду колебаний ввиду его инерционности.

[Al]

...спасибо, Фёдор Фёдорович.
...сейчас надо все "переворить" еще раз по этапам.
...или еще как говорится "переспать с мыслями" ))
...возможно появятся еще вопросы.

...с уважением, Алексей

[Фёдор Менде]

После того, как Вы всё это осмыслите, я постараюсь рассказать о том, откуда берутся поля индукции, но это потребует некоторого знакомства с теорией. Но если Вы действительно хотите стать опытным радиолюбителем, то эти трудности следует преодолеть.

[Al]

...так, ради интереса
...по Надененко:
...провод над землей 20 м и диаметром 2 мм обладает волновым сопротивлением = 630 Ом
...труба диаметром 146 мм на той же высоте обладает волновым сопротивлением = 377 Ом

...с уважением, Алексей

[Фёдор Менде]

Имеется в виду линия, одним из проводников которой является провод или труба, а вторым провоником земля. Если так, то всё понятно. Волновое сопротивление это корень квадратный из отношения погонной индуктивности к погонной ёмкости. Если вычислить ёмкость проводника относительно земли, то окажется, что она слабо зависит от диаметра провода. Индуктивность же верхнего проводника сильно зависит от его диаметра (при стремлении диаметра провода к нулю индуктивность стремится к бесконечности). Поэтому при увеличении диаметра провода, волновое сопротивление линии падает.

[Al]

Имеется в виду линия, одним из проводников которой является провод или труба, а вторым провоником земля. Если так, то всё понятно.

...именно так.
...как быстро оценить по распределенным L и С пока не знаю, быть может взять кусок провода в 1 м и мостом Е7-4 померить.
...боюсь тока некорректным измерение получится из-за рядом расположенных предметов
...щас под рукой нет, чуть позже.

...с уважением, Алексей

[Фёдор Менде]

Для измерений нужно взять провод, длина которого значительно больше чем расстояние до земли.
При измерении погонной ёмкости провод не должен быть заземлён, а при измерении погонной индуктивности противоположный конец провода должен быть надёжно заземлён. После измерения суммарной ёмкости и индуктивности полученные значения нужно разделить на длину провода, это и будут значения погонных параметров данной линии.

[UR4III]

Здравствуйте Фёдор Менде!
Моё имя Владимир. Мой ник – позывной моей КВ радиостанции. Алексей разместил ссылку на эту тему, интересную для меня. Поэтому я здесь.
Коротко пройдусь по обсуждаемому.
1.В примере с резонатором Вы сформулировали условие отсутствия отражения от него, заключающееся в компенсации волн, отраженных от стенки с отверстием и вышедшей из резонатора. При этом резонатор становится активной нагрузкой для генератора, а энергия, поступающая в него, равна энергии внутренних потерь резонатора.
Как бывший радиолюбитель Вы понимаете, что на СВЧ мы не работаем. Но и у нас есть устройства, использующие этот принцип. Это четвертьволновой трансформатор и полуволновой повторитель. Как видно, длина линии не обязательно должна быть кратной полуволне. При наличии согласующего устройства на входе линии её длина может быть произвольной. Сам же процесс согласования остаётся прежним: накопление в линии достаточной величины энергии, чтобы с учётом отражения от несогласованной нагрузки требуемая мощность смогла рассеяться на ней.
Здесь есть момент, который Вы по каким-то причинам не затронули. Компенсация отраженных волн возможна при их противофазности и равенстве амплитуд. Но разве это означает, что волны исчезли! Да, направленный ответвитель (мы в основном используем КСВ-метры) не фиксирует отраженные волны. А баланс мощностей падающих и отраженных волн показывает, что волны исчезают, а их энергия усиливает мощность падающей волны.
Но по какой причине они должны пропасть? Например, излучение вибратора противофазно излучению рефлектора, чем обеспечивается подавление излучения/приёма в этом направлении.
Но никакого всплеска энергии на рефлекторе в результате компенсации что-то не видно.
Что Вы думаете по этому поводу? Каков физический механизм добавления энергии отраженных волн в энергию падающей?
Продолжение следует.

[UR4III]

2.

Вам хорошо известно, что если к проводнику, по которому течёт переменный ток, поднести другой проводник, то в этом проводнике возникнут наведенные токи, направление  которых будет обратным тем токам, которые текут в исходном проводнике.

Извините, но если проводники расположены рядом, то индуцированный ток будет отставать на 90°.

3.Вы излишне акцентируете внимание на необходимости резонанса в антенне. Дело в том, что процессы в вибраторе любой длины происходят по одним и тем же закономерностям. А само понятие резонанса относится только ко входному сопротивлению вибратора. Даже при резонансной длине вибратора и питании его в разрыв полотна НЕ В ЦЕНТРЕ приводит к появлению реактивности во входном сопротивлении. Если же посмотреть зависимость R излучения от отношения длины вибратора к длине питающей волны, то максимум излучения достигается не в резонансе.

[UR4III]

4.Ну и самое главное. Изюминка, ради которой радиолюбители слетаются в эту тему – процесс излучения.
Вы оперируете термином «поля индукции». Что Вы понимаете под этим?
Подле вибратора существует переменное электрическое поле. (Как я понял, Вы образование ЭМВ объясняете без привлечения магнитного поля.) Чем же отличается «простое советское эл.поле» от «поля индукции»?Находящиеся неподалёку проводящие предметы и земля изменяют картину силовых линий поля и даже забирают часть его энергии. Но это вовсе не означает, что поле излучилось!
Поле безинерционно, стартует сразу со скоростью света для данной среды распространения и с той же скоростью успевает вернуться назад при сворачивании поля. Это у Герца поле отшнуровывается. А у меня оно этим шнурком накрепко привязано к его источнику.

И получается так, что, расходуя энергию на ускорение зарядов в проводнике, соединяющем сферы, расходуется энергия и на создание полей индукции вне этого проводника. Но сами поля индукции, и это следует из свойств векторного потенциала, являющегося следствием закона Био и Савара, обладают удивительным свойством, они даже для очень низких частот убывают по закону 1/r, что соответствует законам излучения. Эти поля обладают и вторым важным свойством. Они распространяются в пространстве со скоростью света.

Таким образом, накопленная в контуре энергия, заключённая в полях ближней зоны, ускоряя заряды в проводнике, и создавая тем самым поля индукции, превращается в поля излучения.

Ни «1/r», ни распространение со скоростью света не убеждают. Я не вижу пока у вас конкретного механизма, по которому поле может оторваться от источника и существовать без оного.

"Если вопросов по физике работы антенны нет, то нам осталось выяснить физические причины возникновения электрических полей индукции. Ответа на этот вопрос в имеющейся литературе нет."
Но у Вас, надеюсь, есть!

[UR4III]

5. «Антенна будет согласована со свободным пространством в том случае, когда на поверхности её проводников отношение электрического поля индукции и магнитного поля текущего по проводникам тока также будет равно 377 Ом. Для этого необходимо, чтобы характеристическое сопротивление резонансного контура (корень квадратный из отношения индуктивности к ёмкости контура), которым является антенна, было равно 377 Ом.»

Совершенно непонятно, почему Вы ток и заряд вибратора уравниваете с напряженностями эл. и маг полей?  Извините, я думаю, это из разных опер. Волновое сопротивление (чего-либо) лишь диктует соотношение величин энергетических составляющих – ток и напряжение в линии, ток и заряд в вибраторе, эл. и маг. полей в пространстве. Вам вероятно известен тот факт, что при отношении напряженностей полей подле антенны далёкой от 377 Ом,  при удалении от антенны это отношение выравнивается именно к 377. 

6. "После того, как Вы всё это осмыслите, я постараюсь рассказать о том, откуда берутся поля индукции, но это потребует некоторого знакомства с теорией."

Трудности нас не пугают!
73!