Меню

Что такое мощность электромагнитной волны

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Мощность — электромагнитная волна

Мощность электромагнитной волны — количество энергии, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны — обратно пропорциональна Квадрату расстояния площадки от антенны. [2]

PQ — поток мощности электромагнитной волны , г; играет роль групповой скорости электронной волны. [3]

Коэффициент распространения у характеризует изменение мощности электромагнитной волны при распространении ее по линии и изменение фазы напряжения и тока вдоль линии. [5]

От величин Е и Н зависит мощность электромагнитной волны . Если выражать Е в вольтах на метр и Я в амперах на метр, то их произведение дает мощность в ваттах потока энергии, переносимой электромагнитной волной через 1 м2 поперечного сечения волны. Произведение векторов Е и Я называют вектором Пойнтинга и измеряют в ваттах на квадратный метр. [7]

В электронных СВЧ приборах обычно измеряют мощность электромагнитной волны . Поэтому очень важно знать связь между напряженностью электрического поля и мощностью волны. [9]

Рп — — — — TD-равная реальной мощности электромагнитной волны Рп П5а, падающей на антенну ( рис. 1.120), не зависит от режима согласования. [10]

Как будет показано далее, плотность потока мощности электромагнитной волны пропорциональна квадрату напряженности поля. Следовательно, достаточно перейти к использованию свободных полей вместо полей индукции, чтобы получить огромный выигрыш в напряженности поля принимаемого сигнала: в данном случае Напряженность поля обратно пропорциональна пер вой степени, а мощность поля обратно пропорциональна второй степени расстояния. [12]

Действие плавных поляризационных AT основано на использовании эффекта изменения мощности электромагнитной волны линейным поляризатором при различном его азимуте. [13]

В других работах того же автора [42-44] описаны принцип и схемы для измерения мощности электромагнитных волн до частоты ЗОООмгц. [14]

Величина напряженности электрического поля в полом волноводе пропорциональна корню квадратному из подаваемой в волновод мощности электромагнитной волны . Следовательно, с увеличением мощности электромагнитных колебаний напряженность электрического поля также увеличивается до тех пор, пока не произойдет пробой газа, находящегося, например, в кварцевой трубке, проходящей через волновод. Физический механизм образования стабильного разряда может быть описан следующим образом. Как уже говорилось, под влиянием электрического поля образуется дополнительное количество электронов в результате ион и-зирующих столкновений свободных электронов с молекулами газа. Это понижает импеданс газа, что приводит к понижению напряженности электрического поля в нем. [15]

Источник



Электромагнитные волны. Радиосвязь

Блок 13. Электромагнитные волны. Радиосвязь

1. Электромагнитные волны

1. Между изменяющимися во времени электрическим и магнитным полем существует взаимосвязь: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (электромагнитная индукция), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате возникает единое электромагнитное поле.

2. Источником электромагнитного поля является переменный ток (ускоренно движущаяся зараженная частица). Так же, как упавший на воду камень, возбуждает волны на поверхности воды, так и при изменении скорости заряженной частицы возникают электромагнитные волны в окружающем пространстве.

3. Электромагнитная волна – возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн в 1864 г.

4. Экспериментально их обнаружил Герц в 1887 г. Источником электромагнитных волн стал прямолинейный проводник с промежутком посередине, обладающий свойствами колебательного контура (вибратор Герца). Высокое напряжение, подаваемое к промежутку, вызывало искровой разряд. Такой же разряд возникал в другом вибраторе, концы которого были замкнуты, находящемся на некотором расстоянии от первого. Электромагнитное излучение первого вибратора дошло до второго.

5. Электромагнитные волны существуют и обладают следующими свойствами:

· электромагнитное излучение возникает при ускоренном движении электрических зарядов; электромагнитные волны являются гармоническими: вектора напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля будут изменяться гармонически.

· энергия излучения пропорциональна квадрату ускорения излучающей заряженной частицы;

· скорость распространения равна скорости света;

· волна поперечная: вектора напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

6. Характеристики электромагнитных волн

· Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебания её источника λ = υТ

· Плоскополяризованная волна – это волна, в которой колебаниям вектора напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля соответствует только одна пара взаимно перпендикулярных плоскостей. Плоскость поляризации определяется плоскостью, в которой происходит изменение вектора напряжённости электрического поля.

· Точечный источник электромагнитного излучения источник, размерами которого по сравнению с расстоянием до него можно пренебречь.

· Фронт волны – это поверхность постоянной фазы напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля. Луч показывает направление распространения поля. Луч перпендикулярен фронту волны.

· Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмной плотности электрического и магнитных полей равных друг другу в любой момент времени.

· Энергия электромагнитного излучения в объёме пространства равна W= wV=εεoEд2·c∆tS=0,5εεoEм2·c∆t S

· Поток энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения. P =W/∆t

· Плотность потока энергии электромагнитной волны — мощность излучения, приходящаяся на 1 м2 P/ S.

· Интенсивность – среднее значение плотности потока электромагнитной волны – среднее значение энергии, падающей на единицу поверхности в единицу времени.

Читайте также:  Параллельное соединение rlc элементов мощность

Зависимость интенсивности от расстояния до источника и от частоты излучения:

a. Интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника I

1/r2, т. к. площадь сферы, внутри которой распространяется поле S = 4πr2.

b. Интенсивность прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты I

ω4.

· Электромагнитная волна переносит не только энергию, но и импульс p =W/c.

· Давление волны на поверхность P = 2I/c. Сила радиационного давления Солнца на земной шар около 600000 кН.

2. Спектр электромагнитного излучения

1. Спектр электромагнитных волн имеет широкий диапазон частот от 0 до 3·1022 Гц

· Волны звуковых частот возникают в линиях электропередач.

· Радиоволны возникают в антеннах радио — и телевизионных станций, мобильных телефонах, радарах и т. д.

· Инфракрасные волны, видимый свет, ультрафиолетовые лучи излучаются атомами при изменении энергетических состояний валентных электронов

· рентгеновские лучи излучаются атомами при изменении энергетических состояний электронов внутренних оболочек атомов

· γ-излучение возникает при изменении энергетического состояния атомного ядра.

1. Основные характеристики: частота, длина, скорость, энергия.

2. Основные свойства: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.

3. Основные отличия: а)способы получения; б)характерные свойства; в)области применения.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

3. Радиосвязь

1. Радиосвязь – передача и приём информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов. Длинные и средние волны огибают поверхность Земли и отражаются от ионосферы и от поверхности Земли. Короткие волны отражаются от ионосферы и от Земли. УКВ распространяются прямолинейно (телевидение и радиолокация)

2. Виды радиосвязи:

· радиотелеграфная (передача сигналов в виде точек и тире, кодирующих буквы и цифры в азбуку Морзе;

· радиолокация (обнаружение объектов и их координат с помощью отражения радиоволн, расстояние до объекта находится по формуле S = ct/2, где t – время прохождения импульса до объекта и обратно);

· радиовещание и радиотелефонная связь (передача в эфир речи, музыки, звуковых эффектов с помощью электромагнитных волн);

· телевидение (передача в эфир звука и видеоизображения с помощью электромагнитных волн).

3. Радиопередатчик излучает радиоволны, а радиоприёмник улавливает и декодирует излучаемый сигнал. Передатчик состоит из генератора высокочастотных колебаний, источника звуковых колебаний и антенны. Антенна – открытый колебательный контур, индуктивно связанный с катушкой колебательного контура. Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний состоит из колебательного контура C-L, транзистора, выполняющего роль клапана, открывающего доступ энергии в колебательный контур. Транзистор связан с контуром при помощи индуктивной катушки Lсв. Колебания звуковой частоты, возникающие в микрофоне, практически не излучаются, а высокочастотные, вырабатываемые генератором, не несут информации. Модулирующее устройство (микрофон) изменяет высокочастотные колебания, и антенна излучает высокочастотные колебания, несущие информацию, которая содержится в колебаниях звуковой частоты.

4. Амплитудная модуляция – изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения звукового сигнала. Амплитуда тока модулированного сигнала I = I0cosω0t + 0,5I1cos(ω0 – Ω)t + 0,5I1cos(ω0 + Ω) t. Антенна излучает высокочастотные модулированные колебания

5. Из формулы видно, что для передачи звукового сигнала (частота до20000Гц) потребуется ширина канала связи – полоса частот, необходимая для передачи данного звукового сигнала, в 40кГц. Если радиочастоту разделить на диапазоны (длинные, средние, короткие и ультракороткие волны), в каждом диапазоне может работать несколько радиостанций. Например, в диапазоне средних волн 3·105 – 3·106Гц может работать более 60 радиостанций, а в УКВ-диапазоне от 3·107 до 3·108Гц может работать более 6000 радиостанций. (3·106 – 3·105 )/40000=62;

( 3·108 – 3·107)/40000 = 6250

6. Детекторный радиоприёмник состоит из приёмной антенны, индуктивно связанного с ней колебательного контура, детектора (высокочастотный полупроводниковый диод) конденсатора, исполняющего роль фильтра и наушников. В антенне возбуждаются модулированные высокочастотные колебания. При резонансе такие же колебания возникают в колебательном контуре. Детектор осуществляет детектирование – выделение низкочастотных звуковых колебаний из модулированных колебаний высокой частоты. Сначала происходит выпрямление, а затем выделение низкочастотной огибающей высокочастотных импульсов.

Решение задач

Задача 1. Радиостанция работает на частоте 100 МГц. Считая, что скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере равна скорости света в вакууме, найдите соответствующую длину волны. (3м).

Решение. c = λ·ν, λ = c/ ν = 3·108м/с /1081/с = 3м.

Задача 2. Колебательный контур состоит из катушки с индуктивностью 1 мкГн и конденсатора, электроёмкость которого может изменяться в пределах от 100 до 400 мкФ. На каком диапазоне волн может быть настроен этот контур? (188,5 – 377м).

Решение. λ = c/ ν, ν =1/Т, T=2π√LC, λ1 = c2π√LC1 = 188,5 м. При увеличении электроёмкости конденсатора в 4 раза, длина волны увеличивается в 2 раза, следовательно λ2 = 377 м.

Задача 3. Каким может быть максимальное число импульсов, испускаемых радиолокатором в 1 с, при разведывании цели, находящейся в 30 км от него? (5000).

Решение. Для прохождения расстояния до цели и обратно, импульсу электромагнитной волны потребуется время t = S\c = 60000м/м/с = 2·10 -4c. Следовательно в 1с должно быть максимальное количество импульсов 1с/ 2·10 -4c =5000.

Читайте также:  Мощность ядерных боеголовок россии

Задача 4. Радиолокатор работает на волне 15 см и даёт 400 импульсов в секунду. Длительность каждого импульса 2 мкс. Сколько колебаний содержится в каждом импульсе и какова наибольшая глубина разведки локатора? (4000; 375 км).

Решение. ν =с/λ =3·10 8 м/c /0,15 м = 2·10 9 1/c.

В каждом импульсе будет п = t1·ν= 2·10 -6c·2·10 9 1/c=4000 колебаний.

Время от импульса до импульса t=1/400с -1= 25·10 -4 c.

За это время сигнал пройдёт путь 25·10 -4 c ·3·10 8 м/c =750км, а до цели – половина этого пути = 375 км.

Задача 5. При гармонических электрических колебаниях в колебательном контуре максимальное значение энергии электрического поля конденсатора равно 50 Дж, максимальное значение энергии магнитного поля катушки равно 50 Дж. Как будет изменяться во времени полная энергия электромагнитного поля контура? Как будет изменяться во времени максимальная магнитная энергия катушки? Как буде изменяться энергия катушки в течение периода колебаний?

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Решение. Полная энергия электромагнитного поля контура остается постоянной.

Максимальная магнитная энергия катушки остается постоянной.

Энергия катушки, как и энергия конденсатора в течение периода колебаний изменяется от 0 до 50 Дж.

Задача 6. Контур радиоприёмника настроен на длину волны 50 м. Как нужно изменить индуктивность катушки колебательного контура приёмника, чтобы он был настроен на волну длиной 25 м?

Решение. λ = c2π√LC . При уменьшении длины волны в 2 раза, индуктивность должна уменьшиться в 4 раза.

Задача 7. Рассмотрим четыре случая движения электрона: 1) электрон движется равномерно прямолинейно; 2) электрон движется равномерно по окружности; 3) электрон движется равноускоренно; 4) электрон совершает гармонические колебания. В каких случаях происходит излучение электромагнитных волн?

Решение. Во всех случаях, когда ускорение не равно 0, т. е. случаи 2, 3, 4.

Задача 8. Определите отношение плотностей потока излучения электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний электрического тока в вибраторе, если частоты колебаний 1 МГц и 10 МГц.

Решение. Интенсивность – среднее значение плотности потока электромагнитной волны. Интенсивность прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты I

ω4. Следовательно, при увеличении частоты колебаний в 10 раз, интенсивность, а, значит, и плотность потока излучения увеличится в 10000 раз.

Формулы по теме «Электромагнитные волны»

· λ = υТ – длина волны

· P = 2I/c – давление электромагнитной волны на поверхность

· p =W/c – импульс волны

· Объёмная плотность электромагнитной волны

· W= wV=εεoEср2·c∆tS=0,5εεoEо2·c∆t S – энергия электромагнитной волны

· I = Pср/S = cεεoE2 – Средняя плотность потока энергии электромагнитной волны или интенсивность излучения

· S = ct/2 – расстояние до объекта при локации.

Источник

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 1.1). В области видимого спектра глаз ощушает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Электромагнитные волны имеют следующие основные характеристики.

1. Длина волны lв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это состояние (стадия) периодического процесса (рис. 1.2).

11.jpg

В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

2. Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны lв.

3. Частота колебаний электромагнитного поля F (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле

Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунд . В спутниковом вещании приходится иметь дело с очень высокими частотами электромагнитных колебаний измеряемых в гигагерцах.

Для спутникового непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) по линии Космос — Земля используются диапазон C-band low и часть диапазона Кu (10,7. 12,75 ГГи). Верхняя часть этих диапазонов применяется для передачи информации по линии Земля — Космос (табл. 1.1).

Читайте также:  Инструкция по определению производственных мощностей действующих предприятий винодельческой

12.jpg

4. Скорость распространения волны Сскорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля — Космос — Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.

Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны л связаны соотношением

lв=C/F, а так как F=1/T , то lв=С*T.

Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле lв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли (рис. 1.2).

Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V (рис. 1.3).

Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным — вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н (см. рис. 1.2) находится в горизонтальной плоскости.

Если передающая антенна установлена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в гори-

13.jpg

Рис 1.4. Круговая поляризация радиоволн:

LZ— левая; RZ— правая

зонтально расположенной приемной антенне. Следовательно, при Н поляризации радиоволн приемную антенну необходимо ориентировать горизонтально. При этом приема радиоволн на вертикально расположенную антенну теоретически не будет, так как наведенная в антенне ЭДС равна нулю. И наоборот, при вертикальном положении передающей антенны приемную антенну также необходимо расположить вертикально, что позволит получить в ней наибольшую ЭДС.

При телевизионном вещании с искусственных спутников Земли (ИСЗ) кроме линейных поляризаций широко используется круговая поляризация. Связано это, как ни странно, с теснотой в эфире, так как на орбитах находится большое количество спутников связи и ИСЗ непосредственного (прямого) телевизионного вещания.

Часто в таблицах параметров спутников дают сокращенное обозначение вида круговой поляризации — L и R. Круговую поляризацию радиоволн создает, например, коническая спираль на облучателе передающей антенны. В зависимости от направления намотки спирали круговая поляризация оказывается левой или правой (рис. 1.4).

Соответственно в облучателе наземной антенны спутникового телевидения должен быть установлен поляризатор, который реагирует на круговую поляризацию радиоволн, излучаемых передающей антенной ИСЗ.

Рассмотрим вопросы модуляции высокочастотных колебаний и их спектр при передаче с ИСЗ. Целесообразно это сделать в сравнении с наземными вещательными системами.

Разнос между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения составляет 6,5 МГц, остаток нижней боковой полосы (слева от несущей изображения) — 1,25 МГц, а ширина канала звукового сопровождения — 0,5 МГц

(рис. 1.5). С учетом этого суммарная ширина телевизионного канала принята равной 8,0 МГц (по стандартам D и К, принятым в странах СНГ).

Передающая телевизионная станция имеет в своем составе два передатчика. Один из них передает электрические сигналы изображения, а другой — звуковое сопровождение соответственно на разных несущих частотах. Изменение какого-то параметра несущего высокочастотного колебания (мощности, частоты, фазы и др.) под воздействием колебаний низкой частоты называется модуляцией. Используются два основных вида модуляции: амплитудная (AM) и частотная (ЧМ). В телевидении сигналы изображения передаются с AM, а звуковое сопровождение — с ЧМ. После модуляции электрические колебания усиливаются по мощности, затем поступают в передающую антенну и излучаются ею в пространство (эфир) в виде радиоволн.

8 наземном телевизионном вещании по ряду причин невозможно применить ЧМ для передачи сигналов изображения. На СМ места в эфире значительно больше и такая возможность существует. В результате спутниковый канал (транспондер) занимает полосу частот в 27 МГц.

Преимущества частотной модуляции сигнала поднесущей:

меньшая по сравнению с AM чувствительность к помехам и шумам, низкая чувствительность к нелинейности динамических характеристик каналов передачи сигналов, а также стабильность передачи на далекие расстояния. Данные характеристики объясняются постоянством уровня сигнала в каналах передачи, возможностью проведения частотной коррекции предыскажений, благоприятно влияющих на отношение сигнал/шум, благодаря чему ЧМ можно значительно снизить мощность передатчика при передаче информации на одно и то же расстояние. Например, в наземных вещательных системах для передачи сигналов изображения на одной и той же телевизионной станции используются передатчики в 5 раз большей мощности, чем для передачи сигналов звукового сопровождения.

Источник