Природа електромагнітного поля

Носієм електромагнітної енергії, яка широко використовується в сучасних радіоелектроніці, електрозв’язку і високовольтних лініях передачі енергії, є електромагнітне поле. Електромагнітне поле – це особливий вид матерії, який здійснює силовий вплив на заряжені частинки і характеризується енергією, масою, швидкістю, тобто, всіма властивостями матерії. Поле має неперервний розподіл в просторі і часі (поширюється за допомогою електромагнітних хвиль) і в певних умовах проявляє дискретність своєї структури (поглинання енергії відбувається порціями).

Електромагнітне поле являє собою єдність двох складових – електричного і магнітного полів. Електричне поле (Е) характеризується силовою дією як на нерухомі (електростатика), так і на рухомі (електродинаміка) заряди. Магнітне поле (Н) має силовий вплив тільки на заряди, що рухаються. Електричне і магнітне поле в даній точці простору і в певний інтервал часу характеризуються певною кількістю електромагнітної енергії, що характеризується вектором Пойтинга. Електричним струмом називають явище упорядоченого руху заряжених частинок (електронів, іонів) в певному напрямку, який супроводжується виникненням електромагнітного поля. Розрізняють два основні види полів: потенціальне і вихрове. Потенціальне поле тісно повязане з зі своїм джерелом - локалізованими зарядами. Лінії поля мають напрям дії, початок і кінець, виходячи з додатніх “+” зарядів і закінчуються у відємних зарядах зі знаком “-“. Лінії вихрового поля мають напрям і замкнуте коло, завжди неперервні і не мають ні початку, ні кінця. Електростатичне поле є чисто потенціальним полем, а магнітне – чисто вихровим полем. Змінне електромагнітне поле в загальному випадку є суперпозицією потенціального поля електричних зарядів і вихрового поля магнітної індукції.

Електричні і магнітні властивості матеріалів (їх взаємодією з електромагнітним полем) характеризуються трьома параметрами: діелектричною проникністю ε, магнітною проникністю μ і електричною провідністю σ. Добуток напруженості електричного поля E і діелектричної проникності ε_a визначає електричне зміщення зарядів в матеріалі (діелектричну індукцію): D = ε_a x E. Добуток напруженості магнітного поля Н і магнітної проникності μ визначає величину магнітної індукції В: В = μ_а х Н. Поряд з абсолютними значеннями діелектричної проникності (ε_a) і магнітної проникності (μ_а) часто використовують відносні значення ε_r і μ_r: ε_a = ε₀ х ε_r; μ_а = μ₀ х μ_r, де ε₀ = 10^-9/36π [Ф/м] – діелектрична постійна для вакууму і μ₀ = 4π х 10⁷ [Гн/м] – магнітна постійна для вакууму.

Повне вирішення завдань розповсюдження електромагнітної енергії по направляючим системам (кабелі, хвильоводи, світловоди і т.д.) потребує застосування класичної електродинаміки і рівнянь Максвелла. На основі законів електродинаміки можна розглянути практично всі питання передачі, випромінювання, впливу, поглинання, екранування в любих направляючих системах при різних діапазонах частот і швидкостях передачі. Правда, для багатьох випадків дуже складно шукати точні рішення застосовуючи теоретичний апара електродинаміки. Під впливом запитів практичного застосування в свій час були розроблені наближені методи вирішення проблем різних класів. Такими найбільш характерними методами є методи теорії ланцюгів, а з іншого боку – теорії променевої оптики. У першому випадку (квазістаціонарний режим) відбувається перехід від хвильових електродинамічних процесів до коливних (λ >>D- розмір системи), а у другому випадку (квазіоптичний режим) – до променевих процесів (λ<<D). Для випадку, коли (λ = D) процеси передачі енергії в направлених системах описуються за допомогою теорії резонансів. При λ>>D - в області порівняно низьких частот (до 10 ⁸ Гц) справедливі підходи і методи теорії ланцюгів, використуючи рівняння однорідної довгої лінії. При (λ<<D) – в області дуже високих частот (вище 10 ¹³ Гц) справедливі рівняння променевої оптики. Однак, обидва вказані режими є граничними випадками точних рівнянь електродинаміки, тому курс технічної електродинаміки є основним (базовим) аппаратом дослідження, вивчення і розрахунків направляючих систем передачі інформації.

Основні рівняння електромагнітного поля (рівняння Максвелла) узагальнюють два основні закони електродинаміки: закон повного струму і закон електромагнітної індукції.

Закон повного струму встановлює кількісне співідношення між напруженістю магнітного поля Н і електричним струмом І:

Згідно цього закону лінійний інтеграл напруженості магнітного поля по любому замкненому колу дорівнює повному струму, який протікає через поверхню, яка обмежена цим контуром. Струм І включає в себе всі струми провідності І_пр і зміщення І_зм –ємнісний струм. Для постійного струму конденсатор є непрохідною перешкодою, а змінний струм приводить до виникнення струму зміщення в ньому, який обумовлює провідність діелектрика в конденсаторі, кабелі.

Закон електромагнітної індукції визначає співвідношення між напруженістю електричного поля Е і магнітним потоком Ф: електрорушійна сила, яка виникає в контурі при зміні магнітного потоку Ф, який протікає через поверхню контура, дорівнює швидкості зміни цього потоку з оберненим знаком:

 

Це є друге рівняння Максвелла в інтегральному вигляді, яке описує процес виникнення різниці потенціалів на кінцях котушки з провідниками.

Для розрахунків частіше використовують запис рівнянь Максвелла в диференціальному вигляді:

Div E = 4πρ; div H = 0.

Для гармонійних коливань, коли електричну і магнітну компоненти поля можна представити як:

 

 

Рис. 11. Схематичне зображення поширення електромагнітних хвиль в просторі

Характер розповсюдження електромагнітних хвиль в напрямних системах, структура поля і частотні характеристики систем залежать перш за все від класу хвилі, яка переносить енергію по каналам. Існують наступні класи хвиль:

Т – поперечно-електромагнітні (E, H);

Е – електрична або поперечно-магнітна ТМ-хвиля (E = 0, H = 0);

Н – магнітна або поперечно-електрична ТЕ-хвиля (H = 0, E = 0);

ЕН, НЕ – гібридні змішані хвилі.

Рис. 12. Розповсюдження електромагнітних хвиль різного класу в напрямних системах: симетричних колах і коаксіальних кабелях, хвилеводах і оптичних кабелях.

 

Хвиля ТEM (Transversal Electro Magnetic - поперечна електромагнітна) має тільки поперечні складові електричного Еˍ і магнітного Нˍ полів. Вона існуює лише в лініях, які мають не менше двох ізольованих провідників і знаходяться під різними потенціалами. Така хвиля використовується при передачі енергії у відносно вузькому інтервалі частот по проводовим системам (проводові і повітряні лінії передачі інформації, електроживлення), де визначальними є струми провідності І_пр при передачі сигналів по симетричним і коакіальним кабелям і стрічковим лініям.

Хвилі Е і Н мають, крім поперечних електромагнітних (Еˍ, Нˍ), по одній поздовжній складовій Еz і Нz у напрямку розповсюдження хвилі по z - осі на малюнку. Тому їх силові лінії присутні як в поперечних, так і в поздовжніх перерізах направляючих систем. Ці хвилі збуджуються у дуже високому діапазоні частот, де визначальними є струми зміщення І_зм. Вони використовуються при передачі енергії по металічним і діелектричним хвилеводам і однопровідним лініям. Процес передачі основних хвиль ТЕМ повязаний з потенціальним полем, а хвилі вищого порядку Е і Н – з вихровим полем.

Хвилі Е і Н можна передавати по однопроводовим направляючим системам, наприклад – металічним хвилеводам. Для цих хвиль необхідна повздовжня складова полів Еz і Нz, яка задає напрям руху енергії вздовж лінії. Різниця потенціалів створюється між полюсами і стінками хвилевода. Довжина хвилі повинна бути такою, щоб в перерізі хвилевода вклалось ціле число напівхвиль або хоча б одна на півхвиля(див. Рис. 12).

Гібридні або змішані хвилі утворюються нероздільною сумою хвиль Е і Н і мають шість компонентів електромагнітного поля, в тому числі обидві повздовжні складові Еz і Нz..До таких змішаних хвиль відносяться хвилі, які передаються по світловодам і діелектричним хвилеводам. Гібридні змішані хвилі розділяються на два типи: НЕ – з перевагою в поперечному перерізі хвилевода поля Н і ЕН – з перевагою в поперечному перерізі поля Е. Характерною особливістю розповсюдження хвиль Е і Н є наявність критичної частоти відсічки ν_кр (критичної довжини хвилі λ = с/ν_кр), для якої хвилі в напраляючій лінії (хвилеводах) не поширюються і відповідний хвильовий опір відсутній і передача енергії не відбувається.

Поряд з поділом на класи електромагнітні хвилі поділяються по типам. Тип хвилі або моди хвилі визначається складністю структури її форми, тобто числом максимумів і мінімумів електромагнітного поля в поперечному перерізі. Мода позначається двома числовими індексами n і m. Індекс n означає, наприклад, в круглих хвилеводах число повних змін поля по колу хвилевода, а індекс m - число змін поля по радіусу (а не діаметра). Для деяких типів хвиль в круглому хвилеводі вздовж радусу може вкладатись не ціле число просторових ні півперіодів поля. В такому випадку для визначення індекса m роблять заокруглення до ближнього цілого числа в сторону збільшення. Для прямокутнього хвилевода число просторових напівперіодів поля позначаються так: які поширюються вздовж широкої стінки буквою m і вузької стінки – буквою n. Наприклад, найпростіша магнітна хвиля Н₁₀ або ТЕ₁₀. В такій хвилі вздовж широкої стінки хвилевода розміщується одна комірка поля, тобто електричне поле в поперечному перерізі має один максимум. В напрямку, паралельному вузькій стунці, тобто вздовж вузької стінки – по висоті хвилевода поле не міняється. Який тип хвилі буде реалізуватися в тому чи іншому хвилеводі залежить від багатьох причин: від форми поперечного перерізу хвилевода і його розмірів, робочої довжини хвилі і способу збудження хвиль і хвилеводі.

Рис. 13. Характер розповсюдження магнітної хвилі Н₁₀.

 

Електромагнітна хвиля в хвилеводі поширюється вздовж його осі. Якщо на кінці хвилевода вся високочастотна енергія, яка переноситься хвилею, поглинається в нагрузці, то і як в звичайних лініях передачі (відкритій двохпровідній і закритій коаксіальній), в хвилеводі буде раелізуваться режим біжучої хвилі. Цей режим називають узгодженим з загрузкою і він є найбільш сприйнятливим при поширенні енергії в хвилеводі. Струми в стінках хвилеводу направлені перпендикулярно магнітним силовим лініям в даній точці, а їх густина чисельно рівна напруженості магнітного поля в цій же точці. Так як для хвилі типу Н₁₀ вектор напруженості магнітного поля має поздовжню і поперечну складові, то в поверхневому шарі широкої стінки хвилевода струми також мають поздовжню і поперечну компоненти, причому максимальне значення повздовжнього струму спостерігається в середині широкої стінки, а максимальне значення поперечного струму – у її країв. Розподіл струмів в хвилеводах необхідно знати для правильного їх конструювання і застосування. Так, для хвилі Н₁₀ необхідно забезпечити добрий контакт у вуглах хвилевода – там протікають поперечні струми. В середині ж широкої стінки можна зробити вузьку поздовжню щілину. Вона не порушує роботи хвилевода, тому що паралельна повздовжнім струмам, а поперечні струми дорівнюють нулю; випромінювання високочастотної енергії через неї буде відсутнє.

Рис. 14. Розподіл напруженостей електричного Е і магнітного полів Н в циліндричних і прямокутних хвилеводах для мод Е ₁₁, Н₀₁ і Н₁₁.