Модульная единица 3. Теория передачи по направляющим системам.

Одно из ведущих мест среди систем связи принадлежит системам электропроводной связи. Принципиальным отличительным признаком систем проводной связи от других систем связи является наличие в их составе направляющей среды в виде проводных линий связи, вдоль которых происходит распространение электромагнитных волн.

       В настоящее время электрическая проводная связь является одним из основных средств доставки информации в политической, информационной, экономической и культурной жизни страны. В качестве проводных линий могут использоваться: воздушные; кабельные; волноводные (светодиодные) линии связи.

       Следует отметить, что в настоящее время в реальных системах проводной связи наибольшее применение находят кабельные линии связи, состоящие из изолированных проводников, заключённых в общую влагозащитную оболочку и броневые покровы. Прокладываются подземные кабели на глубине (0,8 – 1,2) м. Все это создаёт благоприятные условия для обеспечения качественной связи при использовании кабельных линий связи.   Воздушные линии связи, сыгравшие заметную роль на этапе становления систем проводной связи, имеют ряд существенных недостатков, к которым, в частности, необходимо отнести зависимость электрических характеристик и механической устойчивости от атмосферно–климатических условий и других внешних факторов. Эти недостатки не позволяют надеяться на то, что в будущем воздушные линии найдут сколько–нибудь серьезное применение.

       В системах проводной связи, предназначенных для передачи больших потоков информации, в перспективе предусматривается применение волноводных линий. Исследователями установлено, что по медному цилиндрическому волноводу диаметром 6 см на волне  можно осуществить передачу одновременно до 100 телевизионных программ или свыше 100000 телефонных сообщений.

       Таким образом, если ориентироваться на использование кабельных линий связи, то можно отметить важные достоинства систем проводной связи: хорошее качество связи, не зависящее практически от времени суток, года и внешних мешающих факторов; высокая скрытность передачи информации. В то же время системы проводной связи имеют и существенные недостатки к основным, из которых следует отнести их дороговизну. Это связано с мировым дефицитом запасов медной руды. Именно поэтому в настоящее время в качестве направляющей среды все большее распространение получает волоконно–оптический кабель, изготавливаемый на основе кварцевого песка.

       В простейшем случае систему проводной связи, образованную между источником сообщения (ИС) и получателем сообщения (ПС), можно представить в виде, изображаемом на рис. 1.19.

 

ОА2

ИС

ОА1

ПС

 

 

               

                 

                              А1                                                          А2

                       

Рис. 1.19. Простейшая линия проводной связи

 

       На рис. 1.19 абоненты на передающей и приёмной стороне обозначены соответственно А1 и А2.

       Обычно сообщения, подлежащие передаче, имеют неэлектрическую природу. Преобразование сообщения в первичный электрический сигнал на передающей стороне осуществляется оконечной аппаратурой ОА₁. На приёмной стороне оконечная аппаратура ОА₂ осуществляет обратное преобразование первичного электрического сигнала в исходное сообщение.

Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными.

В зависимости от вида сообщения (речь, музыка, буквенно–цифровой текст, подвижное или неподвижное изображение и т.д.) различают следующие системы проводной связи: системы передачи непрерывных сообщений;

системы передачи дискретных сообщений.

       В системе телефонной связи передаются непрерывные сообщения (речь, музыка). В качестве оконечной аппаратуры на передающей стороне используется микрофон, на приёмной – телефон (динамик).

       В системе телевизионной связи в качестве сообщения служат как неподвижные, так и движущиеся изображения. Оконечными устройствами являются передающая и приёмная телевизионные трубки соответственно на передающей и приёмной стороне системы связи.

       Первичный электрический сигнал в системе телефонной, и телевизионной связи является непрерывным, т.е. он может быть аналитически описан непрерывной функцией непрерывного аргумента Х(t).

В системе телеграфной связи используются дискретные сообщения (буквенно–цифровой текст, знаки препинания). Преобразование сообщения в первичный электрический сигнал на передающей стороне и обратное преобразование на приемной осуществляется телеграфным аппаратом (телетайпом).

       В системе передачи данных (СПД) сообщение – дискретно – буквенно–цифровой текст и другие условные знаки, представляется в формализованном (не имеющем непосредственно смыслового значения) виде. В качестве оконечной аппаратуры в СПД используется оконечное оборудование данных (ООД). Роль ООД могут выполнить принтеры, электрифицированные пишущие машинки и др.

       Линия связи, непосредственно соединяющая двух абонентов, носит название «цепь связи».      В зависимости от числа используемых проводников различают цепи связи: однопроводные; двухпроводные; четырех проводные.

В однопроводной цепи электрические токи замыкаются через один провод и землю. Такие цепи в сильной мере подвержены воздействию внешних электромагнитных полей и влиянию неоднородной почвы, что приводит к ухудшению качества передачи сигналов. Поэтому однопроводные цепи применялись только для телеграфной связи, причем на небольшие расстояния.

       Передача электрических сигналов в двухпроводной цепи осуществляется по двум проводникам («физической паре»), изолированным от земли.

       В четырех проводной цепи, образованной двумя парами изолированных от земли проводников, передача сигналов в одном направлении производится по одной паре, а в противоположном – по другой.

       Двух и четырех проводные цепи широко используются в системах проводной связи.

       Связь между двумя абонентами может быть односторонней или двухсторонней. Суть односторонней (симплексной) связи заключается в том, что передача информации осуществляется только в одном направлении. При двухсторонней (дуплексной) связи передача информации осуществляется в двух направлениях одновременно. Помимо симплексной и дуплексной связи может быть полудуплексная связь, при которой передача информации может осуществляться в двух направлениях, но одновременно только в одном.

       Простейший вариант системы проводной связи (рис. 1.18) практически не используется, если не считать единичных случаев соединения между собой абонентов, находящихся на небольших расстояниях друг от друга.

Передача электрических сигналов в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.19, имеет ряд существенных недостатков, основ­ными из которых являются:

1. Дальность связи имеет ограниченную величину. Если осу­ществляется передача сигналов в телефонной системе связи, то непосредственная удаленность между двумя абонентами может достигать (1000 – 1100) км.

2. Низкая эффективность использования линии связи. В систе­мах проводной связи линии представляет собой дорогостоящие сооружения. Для доказательства приведем некоторые конкретные данные. Например, рассмотрим проводную линию, построенную с помощью симметричного кабеля, сос­тоящего из 16 проводников. Каждый из проводников имеет диаметр d=1,2 мм (например, кабель МКСБ 4х4х1,2). Этот кабель обеспечивающий соединение абонентов на дальности 1000 км, требует затрат меди 374т и свинца 1660т. Если использовать 4 пары проводников коаксиального кабеля такой же длины, то потребуется 630т меди и 1800т свинца.

       Названные факторы обусловили иной способ организации дальней связи, нежели это показано на рис.1.20.

       Рассмотрим схему многоканальной проводной связи, с помощью которой можно пояснить способ передачи сообщений в реальном случае.                                        

Структурная схема системы многоканальной проводной связи представлена

 на рис. 1.20.

 Рис. 1.20 Структурная схема многоканальной линии проводной связи

 

Здесь приняты следующие обозначения:

 ИС, ПС — соответственно источник и получатель сообщения;

       ОА — оконечная аппаратура;

       КА — коммутационная аппаратура;

       КОА — каналообразующая аппаратура;

       АЛ — абонентская линия;

       СЛ — соединительная линия.                     

 

Как известно, совокупность технических средств вместе с линией связи, обеспечивающие передачу сообщений, называются ка­налом связи.

Следует раз­личать проводной канал местной и дальней связи. Канал местной

связи включает в себя: оконечную и коммутационную аппаратуру, а также абонентские и соединительные линии. Абонентская линия соединяет оконечную и коммутационную аппаратуру. Соединитель­ная линия соединяет коммутационную и каналообразующую аппаратуру.

       Каналы местной связи предназначены для обмена информацией между абонентами, находящимися в пределах города, крупного на­селенного пункта или учреждения. Канал дальней связи используется для обмена информацией между абонентами, территориально удаленными на большие рас­стояния (например, между различными городами, удаленными пунктами связи и т. п.), и включает в себя помимо канала местной связи также каналообразующую аппаратуру и линию дальней связи.

       Линия дальней связи называется магистралью связи. На магистральном участке устанавливаются промежуточные усилительные пункты, которые могут быть обслуживаемыми (ОУП) и необслуживаемыми (НУП). Необслуживаемые усилительные пункты обеспечиваются дистанционным питанием и контролем со стороны обслуживаемых усилительных пунктов. Расстояние между двумя усилительными пунктами называются усилительными участками.      

       Развитием представленного варианта связи для двух абонентов, находящихся на значительном удалении друг от друга является схема электрического канала связи (рис.1.21), работающего на более высоких частотах, способных передать сигнал на значительные расстояния. Здесь в качестве направляющей среды может использоваться как специализированный физический кабель, так и естественная природная среда – атмосфера. Влияние атмосферы на распространение электромагнитных сигналов различных длин волн (частот) рассмотрим ниже, в другом разделе. Здесь же кратко остановимся на принципиальных преобразованиях, производимых аппаратными средствами, обеспечивающими перенос сигнала в более высокочастотную область на передающей стороне и обратное преобразование – на приемной стороне.

                       

Рис. 1.21. Обобщенная структурная схема электросвязи простейшей одноканальной, симплексной системы электросвязи

 

       Из–за влияния множества факторов, связанных с преобразованием сообщения в сигнал, переноса его в более высокочастотную область, обеспечивающую передачу сигнала по среде распространения, а также  помех различного происхождения принятый сигнал u_пр(t) отличается от переданного u(t), и восстановленное сообщение α_пр может не совпадать с исходным α_п. 

       Не вдаваясь в детали, которые буду изучены в других курсах, рассмотрим общий принцип работы системы электросвязи. Для простоты понимания, изучаемых процессов представим, что передаче на значительные расстояние подвергается сигнал звуковой частоты (речевой сигнал).

       Рассмотрим процесс передачи сообщения от источника сообщения (абонента) до его получателя (корреспондента) опираясь на кривые, представленные на рис. 1.22. На этом рисунке представлен вид амплитудной характеристики звука, соответствующего трем буквам русского алфавита (а, о, у).  

       Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16–20000 Гц.

       Эти передаваемые звуковые колебания (сообщение a_n) при помощи преобразователя сообщение–сигнал преобразуется в первичный электрический сигнал сложной формы u(t)..

                  Первичные сигналы невозможно передавать непосредственно по линии связи на значительные расстояния. Поэтому первичные сигналы при помощи передатчика преобразуются в так называемые вторичные сигналы s(u,t) характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи.

       Из жизненного опыта известно, что звуковой сигнал невозможно передать даже на расстояния нескольких сотен метров. В курсе физики вы изучили, что для передачи сигнала на большие расстояния его необходимо перенести его в область более высоких частот, способных обеспечить этот перенос. (Диапазоны частот и их особенности распространения рассмотрим ниже). Процесс переноса звуковых частот в область высоких частот называется модуляцией, который осуществляется в модуляторе блока передатчика.

       Не останавливаясь на видах модуляции (общие подходы были рассмотрены в предыдущем разделе) и способах ее реализации, представим вид амплитудно–модулированного сигнала на выходе преобразователя (рис.1.23). Итак, видим, что передатчик излучает высокочастотные колебания, излучаемые на одной частоте. 

Рис.1.23. Высокочастотное колебание, излучаемое на одной частоте.

 

       Это высокочастотное колебание необходимо промодулировать по закону низкой (звуковой) частоты. Для простоты понимания в качестве такой звуковой часты, используем синусоидальный сигнал, например, частотой 800 Гц (рис.1.24).        

 

Рис. 1.24 Гра­фик колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний.

 

       На выходе модулятора получают результирующее высокочастотное колебание (рис. 1.25), изменяющееся в соответствии с изменением амплитуды первичного сигнала (рис. 1.24). Таким образом, в упрощенном виде формируется первичный сигнал u(t).

Рис 1.25. Амплитудно–модулированное колебание на выходе модулятора.

 

       Далее этот первичный сигнал в передатчике доводится о мощности до величины, необходимой для преодоления заданного расстояния. В передатчике формируется сигал s(u,t) который с помощью специальных устройств (антенны) преобразуется в электромагнитные или световые волны и передается по направляющим средам (воздушное пространство или кабельные лини связи) получателю.

       Линейный сигнал при прохождении по направляющей среде подвергается воздействию различных факторов, присущих конкретной среде. За счет этих факторов на линейный сигнал воздействуют помехи как естественного, так и искусственного происхождения, приводящие к изменению параметров сигнала, излученного антенной. За счет этих помех сигнал на входе радиоприемного устройства можно представить в виде:

 ,                                                                                         

где: А(t) – сигнал, В(t) – аддитивная или мультипликативная помеха, накладываемая на сигнал. В результате принятый сигнал будет отличаться от переданного передающим устройством сигнала. И иметь вид, представленный на рис.1.26.

 

Рис.1.26. Сигнал на входе радиоприемного устройства, подверженный быстрым и медленным замираниям.

 

        С переходом на более высокие частоты (низкие длины волн) появилась возможность создания аналоговой многоканальных линий связи. Структурная схема такой линии представлена на рис. 1.27.

       1.27. Структурная схема многоканальной системы связи

 

       Данная схема отличается от предыдущей. Это отличие связанно с необходимостью преобразования нескольких сообщений в сигналы, которые объединяются различными известными методами в устройстве уплотнения в групповой сигнал. Затем, как и выше групповым сигналом модулируется высокочастотное колебание передатчика. В последующем все преобразования до входа в устройство разделения каналов идентичны схеме, рассмотренной выше. Выделенные устройством разделения электрические сигналы, каждый в своем тракте преобразуются в сообщения, удобные для получателя информации.

       Реализация рассмотренной схемы возможна в ультракоротковолновом диапазоне, обладающем достаточно высокой частотной емкостью.

       Первоначально потребности закрытия каналов специальных линий связи привели к необходимости разработке разработки методов кодирования, основанных на дискретизации аналогового (синусоидального) сигнала, т.е. приведения его к цифровой форме. В свою очередь это позволило повысить эффективность линий связи за счет рационального использования не только полосы пропускания, но и применения современных методов помехоустойчивого кодирования. Естественно, при этом несколько усложнились и аппаратурные решения: появились дополнительные устройства, обеспечивающие перевод синусоидального сигнала в цифровую форму. Фрагмент канала связи с импульсно–кодовой модуляций без аппаратуры уплотнения и разделения каналов вместе с приемопередающей аппаратурой представлен на рис. 1.28.   

 

       Рис.1.28 Структурная схема канала с импульсно–кодовой модуляцией.

 

       Потребности высокоскоростной передачи больших объем информации высокой степенью ее достоверности привели к появлению цифровых линий связи, базирующихся на волоконно–оптических или атмосферных направляющих средах, использующих сверхвысокие частоты – частоты оптического диапазона волн, обладающих большой частотной емкостью по сравнению с другими диапазонами. Этот эффект более подробно рассмотрим в следующих разделах учебного пособия. Здесь же представим обобщенную структурную схему современной волоконно–оптической линии связи, которая представлена на рис. 1.29 [3.6].

   

Рис. 1.29 Структурная схема волоконно–оптической линии связи

 

                   Волоконно–оптическая линия связи представляет собой совокупность пассивных и активных технических устройств и физической (искусственной) среды, обеспечивающих передачу информации от передатчика к приемнику на несущей частоте по волоконным световым волноводам, изготовленным из сверхчистого кварцевого стекла. Основными элементами структурной схемы, изображенной на рис. 1.29, являются оптический передатчик (ОПер), оптический приемник (ОПр) и соединяющий их оптический кабель (ВОК).

       Импульсный сигнал источника информации (ИИ), например, передатчика сетевого адаптера подается на вход преобразователя кода, который согласует параметры сигнала со свойствами волоконного светового волновода и оптимизирует процесс передачи за счет ввода в сигнал избыточности, необходимой для обеспечения требуемой помехоустойчивости и удобства синхронизации. Преобразованный сигнал модулирует по интенсивности излучатель (И), в роли которого выступает лазер или светодиод. Выходной сигнал излучателя через оптическое согласующее устройство (СУ), которое минимизирует потери ввода излучения в волоконный световой волновод и подавляет обратные отражения, и оптический разъемный соединитель (коннектор) (К) вводится в ВОК.

На приемной стороне принятое излучение через коннектор (К) и согласующее устройство (СУ) подается на вход фотодиода (ФД). Фотодиод осуществляет обратное преобразование оптического сигнала в электрический сигнал. После усиления, нормализации и восстановления временных соотношений (регенерации), осуществляемых регенератором (Р) сигнал подается на вход преобразователя кода (ПК). Последний восстанавливает исходное сообщение и подает его на приемник информации (ПИ) сетевого адаптера.

       Преобразователь кода, излучатель, фотодиод, регенератор и оптические согласующие устройства обычно интегрируются в виде отдельного модуля, входные и выходные электрические цепи которого имеют стандартный интерфейс для связи с микросхемами сетевых адаптеров и других сетевых устройств. Для подключения к оптическому кабелю предусмотрены розетки разъемных оптических соединителей.

       Как видно, линия оптической связи состоит из модулей и узлов, которые присутствуют в любой радиотехнической системе передачи информации. При формировании сигналов возможно использование разнообразных способов их кодирования, которые применяются в радиотехническом диапазоне длин волн. Известные методы кодирования рассмотрены в предыдущих разделах.

       Существуют аналоговые и цифровые волоконно–оптические системы связи. Из–за значительной сложности обеспечения требуемых качественных показателей оптического тракта аналоговые системы не получили широкого распространения и большинство современных линий волоконно–оптической связи предназначены для передачи цифровых сигналов.      

       Пропускная способность направляющих сред, следовательно, достоверность и качество передаваемой по ним информации зависят от среды распространения: атмосферы – для беспроводных линий и структуры материала для искусственных линий. В свою очередь переносчиком любой информации являются электромагнитные волны различных диапазонов. Именно диапазон частот определяет частотную емкость конкретной лини связи, поэтому в следующем разделе рассмотрим международную классификацию электромагнитных волн по частотам.

Известно, что при распространении энергии по проводам (длинные линии) носителем энергии (сигнала) являются токи, текущие по проводам. Рассматривая беспроводные системы связи, уяснили, что электромагнитная энергия распространяется не по самим проводникам, а вдоль проводников, если они имеются, т.е. в диэлектрическом пространстве.

Разберемся в сущности распространения электромагнитной энергии в диэлектрике. Из курса физики известно, что в любом диэлектрике под воздействием электрического поля происходит смещение электрических зарядов. Электрически нейтральные атомы, имеющие положительные ядра и отрицательные электронные оболочки, под действием сил электрического поля смещаются, образуя электрический диполь (Рис. 1.28) [1.7].  

 

                               

   Рис. 1.30                                                  рис. 1.31

 

Под действием электрического поля Е₁ направленного на рис. 1.30 сверху вниз смещение будет иметь место, как показано на рис. 1.31. Такое смещение представляет собой упругую деформацию и немедленно прекращается после исчезновения электрического поля. Предположим, что электрическое поле Е₁ начинает уменьшаться. Это приведет к уменьшению расстояние между смещения, т.е. расстояние между отрицательными и положительными зарядами уменьшится. Но движение зарядов – есть электрический ток, в данном случае текущий снизу вверх. Из курса физики известно, что ток должен вызвать магнитное поле Н₁, как изображено на рис.1.30.

Из представленного явления можно сделать следующие выводы:

1. При изменении напряженности электрического поля возникает магнитное поле, охватывающее линии электрического поля, т.е. занимающее большее пространство.

2. Энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля.

3. Электромагнитная энергия перемещается во все стороны от линии, соединяющей центры зарядов, т.е. в направлении, перпендикулярном направлению силовых линий электрического и магнитного полей.

Как только по мере исчезновения электрического поля смещение зарядов прекращается, исключаются причины, вызывающие их движение, начинает уменьшаться и магнитное поле. Однако на основе законов магнитной индукции уменьшающееся магнитное поле будет поддерживать вызвавший его ток, т. е. движение отрицательного заряда сверху вниз и положительного заряда снизу вверх. Поэтому при уменьшении магнитного поля Н₁ заряды поменяются местами, что вызовет между ними вторичное электрическое поле Е₂ и соответствующие смещения зарядов в этом поле (рис. 1.31).

Очевидно, когда магнитное поле Н₁ исчезнет, исчезает и причина, поддерживающая электрическое поле Е₂. Под действием электростатических сил смещенные заряды начнут совмещаться, что приведет к уменьшению электрического поля и к появлению вторичного магнитного поля Н₂ и т.д.

Таким образом, каждая точка пространства (диэлектрика), в которой существует переменное электрическое или магнитное поле, является источником электромагнитных колебаний. Электромагнитная энергия распространяется в направлении, перпендикулярном направлению электрических и магнитных сил в соответствии со следующим правилом: если расположить буравчик таким образом, чтобы ручка вращалась в направлении от вектора электрического поля Е к вектору магнитного поля Н, то поступательное движение буравчика (вектор S) будет соответствовать направлению распространения электромагнитной энергии. Вектор электромагнитной энергии S назван по имени ученых, разработавших теорию распространения электромагнитной энергии, вектором Умова – Пойнтинга.

       Роль проводников в распространении электромагнитной энергии заключается лишь в том, чтобы придать электрическому и магнитному полям требуемую форму и заставить энергию распространяться в желаемом направлении.

       Известно, что каждая колеблющаяся точка пространства является источником колебаний, распространяющихся от нее равномерно во все стороны. Скорость распространения электромагнитной энергии в вакууме или в неионизированном воздухе составляет С=  см/сек. В диэлектрике, имеющем диэлектрическую постоянную ɛ и магнитную проницаемость µ эта скорость определяется выражением:

                                                                                             (1.4)

       Для подавляющего числа диэлектриков магнитная проницаемость µ близка к единице, поэтому выражение можно представить в виде: 

                                                                                               (1.5) 

Таким образом, скорость распространения электромагнитных колебаний обратно пропорциональна корню квадратному из диэлектрической проницаемости. Соответственно этому изменяется и длина волны колебаний в данной диэлектрической среде относительно длины волны в вакууме. Соотношение между длиной волны, частотой и скоростью распространения электромагнитных колебаний определяется выражением:

 ,                                                                                         (1.6)    

где Т – время одного периода колебаний.

Из рассмотренного видно, что электромагнитные колебания в свободном пространстве являются поперечными колебаниями, так как электрическое и магнитное поля колеблются перпендикулярно направлению распространения колебаний (рис.1.32). Всякое поперечное колебание характеризуется поляризацией – расположением плоскости, в которой происходят колебания.

Рис. 1.32

 

 Эти колебания могут быть поляризованы в вертикальной, горизонтальной круговой или наклонной плоскости. На рис 1.32 представлены вектор вертикальной поляризации (электрического поля), вектор горизонтальной поляризации  (магнитного поля) и вектор Пойнтинга  (вектор, указывающий направление распространения электромагнитной волны).         

 

1.6.1 Уравнения Максвелла в интегральной форме.

Быстро меняющееся электрическое и магнитное поля, образуя единое электромагнитное поле, распространяется в пространстве (объеме) с конечной скоростью. Радиоволны, инфракрасные, световые, ультрафиолетовые, рентгеновские и γ – лучи по своей природе являются электромагнитными полями и отличаются лишь частотой изменения соответствующих электрических и магнитных величин. Скорость их распространения в свободном пространстве (вакууме) одинакова, поэтому часто утверждают, что радиоволны распространяются со скоростью света.

Механизм возникновения и распространения радиоволн весьма сложен, и его нельзя описать, пользуясь привычными из курса общей физики понятиями о статическом магнитном и электрическом полях.

Из курса физики известно, что по электрической цепи, образованной сопротивлением R, индуктивностью L постоянный ток в установившемся режиме протекает лишь по сопротивлению и индуктивности, в то время как конденсатор образует разрыв цепи (см. рис.3.33). Закон полного тока, выведенный Ампером справедлив лишь для постоянного тока.

 

Рис. 1.33 Электрическая цепь постоянного тока.

 

При подключении этой же цепи к источнику переменного тока цепь замыкается через конденсатор (см. рис. 3.34). Причины появления тока в диэлектрике, каковым является конденсатор, Ампер пояснить не смог. Здесь проявилась гениальность Максвелла, который первоначально ввел понятие вихревого тока, или тока смещения, протекающего между обкладками диэлектрика.  

 

        а)                             б)                           с)

Рис. 1.34(а, б, с). Прохождение постоянного и переменного тока через конденсатор.

 

Из рис. 1.34а видно, что в момент замыкания контакта к в цепи наблюдается нарастающий ток проводимости. В этот момент на обкладках конденсатора накапливается электрический заряд (+ и –). После полного заряда конденсатора наблюдается разрыв цепи. При подключении источника переменного тока конденсатор исполняет роль проводника тока (рис.1.34б). Таким образом, переменный (изменяющийся) электрический ток, за счет тока смещения между обкладками конденсатора (диэлектрика) обеспечивает замкнутость цепи. При прохождении переменного тока по проводнику вокруг последнего в соответствии с законом Фарадея наводится электродвижущая сила. Таким образом, изменяющееся во времени электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве магнитное поле. Это явление аналогично явлению электромагнитной индукции, которое состоит в том, что изменение во времени магнитного поля возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Поскольку изменяющиеся электрическое и магнитное поля порождают в соседних точках пространства соответственно магнитное и электрическое поля, эти оба связанные между собой процесса распространяются в пространстве в виде единого электромагнитного поля или электромагнитных волн.

Принимая во внимание, что конденсатор является диэлектриком (между его обкладками может быть и свободное пространство) мысленно раздвинем обкладки, как это показано на рис. 1.34с. 

Возбуждение электромагнитной волны связано с движением электрических зарядов, но распространение волн может происходить и в пространстве, где отсутствуют электрические заряды и токи, так как электрическое и магнитное поля могут возникать одно за счет другого. Процесс возбуждения электромагнитной волны движущимися электрическими зарядами называют излучением.

Эти сложные физические процессы нашли свое математическое описание в виде уравнений Максвелла.

Согласно теории Максвелла, величины, характеризующие электромагнитное поле, связаны между собой четырьмя уравнениями.

Рассмотрим эти уравнения в системе единиц СИ с использованием следующих обозначений:

– вектор напряженности электрического поля (вольт/метр);

 – вектор напряженности магнитного поля (ампер/метр);

 – вектор электрической индукции (тесла);

 – вектор магнитной индукции (вольт*секунда/метр);

 – вектор плотности электрического поля (ампер/метр²);

P – объемная плотность электрического заряда (кулон/метр³).

Первое уравнение Максвелла записывается в виде:                                                                      (1.7)

и выражает закон индукции магнитного поля – закон Био и Савара, обобщенный Максвеллом. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов, протекающих через контур. Здесь наряду с током проводимости учитывается изменение индукции. Результат этого изменения Максвелл назвал током смещения. Условно говорят, что через данную замкнутую поверхность S течет ток смещения, если меняется поток электрической индукции, пронизывающей эту поверхность.

Второе уравнение Максвелла представляется в виде выражения:

                                                                       (1.8)

и является математическим выражением закона индукции Фарадея, обобщенного Максвеллом. Он указывает, что циркуляция электрического поля по произвольной замкнутой кривой L равна изменению потока магнитной индукции через произвольную поверхность S, опирающуюся на эту кривую.

       Третье уравнение Максвелла

                                                                                            (1.9)

означает, что поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю, так как магнитные массы (заряды) не существуют.

       Четвертое уравнение Максвелла

                                                                                  (1.10)

выражает теорему Гаусса, согласно которой поток вектора электрической индукции через любую замкнутую поверхность S равен полному электрическому заряду в объеме V, ограниченному этой поверхностью.

       Система уравнений Максвелла для изотропных сред дополняется тремя соотношениями:

,

,                                                                                                  (1.11)

.

Они устанавливают связь между электрической индукцией , магнитной индукцией  и током проводимости  с напряженностью электрического и магнитного поля через электрическую ɛ и магнитную µ проницаемости и проводимость σ.