Бегущая электромагнитная волна

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок
рис., А
рис., Б
рис., В
рис., Г
рис., Д

Бегущая электромагнитная волна — переменное электромагнитное поле, распространяющееся вдоль двухпроводной линии, по кабелю и т.п. Б. э. в. возникают в линии, кабеле и т.п. при питании их переменным напряжением. Для рассмотрения картины распространения Б. э. в. положим, что источник переменной э.д.с. Е включен в один из концов очень длинной двухпроводной линии (рис., А), у которой провода обладают малым активным сопротивлением. Тогда между проводами ближайшего к источнику э.д.с. участка линии MN возникает напряжение и электрическое поле появляется как между проводами, так и в самих проводах. Конфигурация этого поля в плоскости, проходящей через оси обоих проводов, изображена на рис. Б, а в плоскости, перпендикулярной проводам, — на рис. В (оплошные линии — силовые линии этого поля)

Под действием электрического поля, появившегося внутри проводов, в них возникают электрические токи I, текущие в обоих проводах в противоположных направлениях. При этом, если сопротивление проводов мало, то напряженность поля внутри них гораздо слабее, чем в пространстве между проводами, и силовые линии электрического поля лишь слегка выгибаются в направлении от источника. Возникшие в проводах токи противоположного направления создают вокруг проводов магнитные поля, направленные в пространстве между проводами в одну и ту же сторону и усиливающие друг друга. В остальной части пространства эти поля направлены в противоположные стороны и ослабляют друг друга. Вследствие этого результирующее магнитное поле обоих токов оказывается сосредоточенным главным образом между проводами (пунктирные линии на рис. В). Так как токи в проводах совпадают по фазе с напряжением, то электрическое и магнитное поля в каждом сечении, перпендикулярном к линии, совпадают по фазе. В конечном счете, переменное электромагнитное поле между проводами имеет примерно такой же характер, как и поле в электромагнитной волне. Это переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве вдоль проводов примерно так же, как электромагнитная волна в свободном пространстве,— со скоростью, зависящей от свойств среды, заполняющей пространство между проводами (см. скорость распространения электромагнитных волн).

В результате этого возникают напряжения между следующими участками линии и токи в них. Но вследствие конечной скорости распространения электромагнитного поля, напряжение между проводами и ток в них в каждом следующем сечении запаздывают по фазе. Сдвиг фаз между двумя данными сечениями \phi ={\frac  {2\pi L}{\upsilon }}, где L — расстояние между этими сечениями, a \upsilon — скорость распространения электромагнитного толя. Направление течения электромагнитной энергии, которую несет с собой поле, как и в случае электромагнитной волны в свободном пространстве определяется вектором Умова — Пойнтинга, который в каждой точке перпендикулярен направлению векторов электрического поля (Е) и магнитного (Н) полей. При этом взаимная ориентировка обоих векторов оказывается такой, что вектор Умова — Пойнтинга S направлен всегда от источника э. д. с. Однако вследствие того, что направление вектора Е слегка отклонено от плоскости, перпендикулярной к линии, вектор S слегка отклонен от оси линии к проводам (рис., Г). Так как оба поля, Е и Н, изменяются в одной и той же фазе, то они одновременно изменяют направление на обратное, вследствие чего вектор S не изменяет своего направления, хотя и изменяется по величине. Таким образом, в пространстве между проводами линии течет пульсирующий поток электромагнитной энергии в направлении от источника, причем часть этого потока ответвляется и втекает в провода (на что указывает отклонение вектора S к проводам). Электромагнитная энергия, втекающая в провода, рассеивается в них в виде тепла, т.е. затрачивается на нагревание проводов. Чем больше активное сопротивление самих проводов, тем больше выгнуты силовые линии электрического поля, тем больше отклонены вектор Е от плоскости, перпендикулярной к линии, а вектор S к проводам и тем больше энергии втекает в провода и рассеивается в них. Другого конца линии достигает только та часть энергии, которая при распространении вдоль линии не попала в провода. Как видно, передача электромагнитной энергии происходит не по проводам, а вдоль проводов. Провода играют роль лишь «направляющих», вдоль которых распространяется электромагнитная энергия.

Если в конец линии включено сопротивление согласованной нагрузки, то энергия, достигшая конца линии, полностью поглощается этим сопротивлением. Если же условие согласования нагрузки не выполнено, то на конце линии происходит отражение Б. э. в. Отраженная электромагнитная волна уносит с собой большую или меньшую часть энергии, достигшей конца линии. В результате наложения отраженной волны на падающую в линии образуются, помимо Б. э. в., стоячие электромагнитные волны.

Картина распространения Б.э.в. вдоль двухпроводной линии в основных своих чертах остается справедливой и для всех других случаев, например для случая коаксиального кабеля, хотя в кабеле несколько иной вид имеет конфигурация электромагнитного поля (она изображена на рис., Д). В этом случае энергия течет в пространстве между оболочкой кабеля и внутренней жилой и частично втекает в оболочку и жилу, рассеиваясь в них в виде тепла. Но во всех случаях, когда электромагнитная энергия передается с помощью проводов, она течет не по проводам, а вдоль проводов. Это относится не только к передаче высокочастотной энергии, но и к передаче электромагнитной энергии переменным током низкой частоты (например 50 гц) и постоянным током. И в этих случаях энергию несет с собой Б. э. в., распространяющаяся вдоль проводов, но только длина этой волны очень велика. Для тока с частотой 50 гц она составляет 6000 км, а для постоянного тока она бесконечно велика (так как частота его равна нулю). Таким образом, для постоянного и переменного тока с частотой 50 гц длина линии оказывается почти всегда весьма малой по сравнению с длиной волны.

Поскольку вследствие этого сдвиг фаз на всей длине линии оказывается очень малым (и в случае постоянного тока вообще отсутствует), можно не рассматривать распространения Б. э. в., а считать, что напряжения и токи в линии устанавливаются мгновенно, т.е. рассматривать всю картину в линии как квазистационарный ток.