Разговор о волновом сопротивлении вакуума в недавней
теме оставил привкус недосказанности, элемент неясности. Захотелось систематически разобраться в вопросе: в чём физическая суть волнового сопротивления вакуума, и какова связь этой константы с практикой.
Необходимые определения
1.Волновое сопротивление длинной линии
Z – это отношение амплитуды напряжения бегущей волны
Um к амплитуде силы тока
Im бегущей волны при бесконечном значении длины линии.
2.Волновое сопротивление вакуума - отношение амплитуд электрического и магнитного полей электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме.
3.Активное сопротивление электрической цепи
R или её участка, обусловлено необратимыми превращениями электрической энергии в другие виды энергии (в тепловую энергию).
4.Антенна – преобразователь энергии электрических колебаний (энергии источника переменного тока) в энергию распространяющегося электромагнитного излучения (ЭМВ), и наоборот.
1. Простые опыты
А. Рассмотрим согласованную на входе двухпроводную бесконечную длинную линию (Рис.1).
Рис.1. Схема включения и основные параметры бесконечной длинной линии
В условиях, показанных на Рис.1 реализуется режим бегущей волны (
Umin = Umax) и коэффициент бегущей волны
Кбв\(\displaystyle\approx \)1.
Б. Отбросим часть бесконечной линии, от точек 1, 2.
Получилась линия конечной длинны (Рис.2), в которой реализуется стоячая волна
Кбв \(\displaystyle\approx \)0, несмотря на то, что волновое сопротивление линии равно расчётному значению волнового сопротивления вакуума.
Рис.2. Режим холостого хода длинной линии
В. Подключим к клеммам 1, 2 активный резистор, равный волновому сопротивлению линии (Рис.3).
Рис.3. Режим бегущей волны при согласовании выхода длинной линии
Режим бегущей волны восстановился. Значит, отброшенная бесконечная часть длинной линии замещается активным резистором
Rн =
Z.
Г. Заменим активный резистор
Rн на антенну соответствующей длинны и формы, так что бы обеспечить режим бегущей волны в линии (Рис.4).
Рис.4.Длинная линия, согласованная с антенной
Таким образом, антенна обеспечивает преобразование бегущей волны длинной линии в бегущую электромагнитную волну и выполняет функции резистора нагрузки
Rн, который, в свою очередь, замещал отброшенный бесконечный отрезок этой линии.
Выводы
1.Антенна, согласованная с длиной линией, не приводит к прямому рассеиванию энергии колебаний, а направляет её в пространство, как электромагнитную волну. Значит, волновое сопротивление вакуума (его номинальное значение использовано в опытах) в пространстве реализуется, именно, как волновое, то есть не рассеивающее энергию, не превращающее её тут же в тепло, как это «делает» активное сопротивление (см. определение 3 в начале статьи).
2.Пространство имеет своим эквивалентом длинную линию, передающее энергию в бесконечность (см.
здесь).
3.Вместе с тем, можно ожидать, что на бесконечности энергия волны, рассеивается. А это показывает, что эквивалентная вакууму длинная линия, на бесконечности как бы «нагружена» на активное сопротивление.
4.Измеряема ли величина волнового сопротивления вакуума?
По-видимому – нет. Её содержимое, как физической константы, полностью определяется скоростью света и выбором мер (см.
здесь).
