Радиотехническа електродинамика

Радиотехническа електродинамика
5 | 4862
Антон Оруш

Какво е радиотехническа електродинамика и какви са нейните задачи си говорим сега в Сандъците – Sandacite.

Радиотехническа електродинамика

Радиотехническа електродинамика

В класическата електродинамика не се отчита елементарният строеж на веществото. Всяка среда се характеризира с три електромагнитни параметъра: абсолютна диелектрична проницаемост ε, абсолют­на магнитна проницаемост μ и специфична електрическа прово­димост σ. Ние ще използваме тези параметри като известни величини, без да се интересуваме от връзката им със структурата на веществото, температурата, налягането, честотата и други фак­тори, която е обект на разглеждане в квантовата електродинамика.

При радиотехническата електродинамика в макроскопичен аспект се разглеждат не само веществата, но и електромагнитните величини — заряди, токове, вектори на полето. Те се характеризират като осреднени във времето стойности за интервали, много по-големи от периода на въртене (трептене) в атомите и молекулите. Осредняването в пространството се отнася за такива области, чиито размери превишават значително тези на ато­мите и молекулите.

Основно внимание се отделя на високочестотните хармонични по­лета, характеризиращи се с период на трептение Т и дължина на вълната X, в границите на които интензитетът на полето съществено се изменя. Ето защо посочените интервали на осредняване трябва да бъдат, от една страна, много по-големи от време-пространствените ха­рактеристики на елементарните частици, а от друга — много по-малки от периода или дължината на вълната. Следователно методите на класическата електродинамика са приложими само за електромагнитни полета, чиято дължина in вълната е с няколко степени по-голяма #т атомните и молекулните разстояния. Това условие не се изпъл­нява за електромагнитните вълни от оптичния обхват.

В електротехниката и радиоелектрониката по-голяма част от задачите се решават с помощта на теорията на веригите. Това са задачи, в които се третират вериги от елементи със съсредоточени парамет­ри, т. е. елементи, чиито размери са много по-малки от дължината на електромагнитната вълна. Ако това условие е изпълнено, зависи­мостта на електромагнитните величини от пространствените коорди­нати може да се пренебрегне и да се отчита само зависимостта от времето.

Във високочестотната електродинамика размерите на разглеждани­те системи (устройства) са съизмерими, по-големи или много по-голе- ми от дължината на вълната, поради което теорията на веригите не може да се използува (или се използува условно) и задачите се ре­шават с помощта на общите уравнения на електромагнитното поле. Такива системи се наричат системи с пространствено-разпределе­ни параметри.

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Конкретни примери на системи (устройства или среди) с разпределени параметри представляват антените, радиовълноводите, трептя-щите кръгове във вид на отрязъци от радиовълноводи, пространст­вото между предавателната и приемната антена. В електронните устройства за свръхвисоки честоти важна роля има електромагнит­ното поле и взаимодействието му с електронния поток.

Историята на учението за електромагнитното поле представлява ярка илюстрация на борбата между материалистическите и идеалис- тическите идеи в тази област от науката.

При изследване на взаимодействието между електрическите заря­ди преди всичко изниква въпросът, как и защо се появяват силите, действащи върху зарядите. Как тези сили (въздействия) се пре­дават от един заряд на друг? Настъпват ли изменения в околното пространство при наличие само на един заряд?

Ако се погледне развитието на физиката в исторически аспект, трябва да се отбележи съществуването на два различни, диаметрал­но противоположни подхода при обясняване на тези явления.

При първия подход се предполага, че на телата (зарядите) е при­също свойството да действат върху другите тела (заряди) от раз­стояние, без да се отчита съществуването на средата и телата между тях. С други думи, предполага се, че взаимодействието може да се предава от разстояние през свободното пространство мигновено и независимо от разстоянието между телата. В основата на този под­ход лежи теорията на взаимното привличане на телата, създадена от Нютон, на базата на която се развива небесната механика.

Съгласно с втория подход взаимодействието между телата (заря­дите) може да се предава само при наличие и посредством някаква среда между тях, при което процесът на взаимодействие не протича мигновено, а за някакъв краен интервал от време. Тази теория се нарича теория на близко действието или теория на въздействието чрез околната среда. Съвременната материалистическа физика отрича въз­можността за действие от разстояние и запазва само теорията за близкото действие или действието чрез полето, тъй като електромаг­нитното поле представлява вид материя, а материята не маже да действува там, където не съществува.

Да се допусне възможността за предаване на силовите взаимодей­ствия, т. е. на движението през вакуум или без участието на междин­на среда, е равносилно да се твърди, че е възможно движение без материя. Например по времето на оставилия дълга следа в науката френски физик Шарл дьо Кулон (1736—1806) въз основа на неговите опити върху взаимодействието на електрическите заряди се предполага, че причините, предизвикващи тези взаимодействия, се крият в наличието на хипотетични електрически субстанции, които имат способността да си въздействуват от разстояние. Съгласно с тази концепция при електрическите явления двете субстанции се на­мират в покой, а при магнитните — в движение.

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

През 1820 г.. датският учен Оерстед открива магнитното действие на електрическия ток, по-точно казано, отклонението на магнитната стрелка, разположена в близост до- проводник, по който протича, електрически ток.

Също в 1820 г. няколко месеца по-късно  друг французин – Андре Ампер – докладва в Париж­ката академия на науките своите открития — за взаимодействието на то­ковете, за еквивалентните действия на соленоид и постоянен магнит и др. Поставят се основите на електродинамиката— така Ампер нарича учението за взаимодействието между токовете и магни­тите. В 1826 г. Ампер публикува първия труд по електродинамика — ,,Теория на електродинамичните явления, изведена изключително от опита“.

Въпреки големите им научни постижения Ампер и неговите пос­ледователи се придържат към неправилната концепция за действие от разстояние.

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Ново направление в учението за електромагнетизма се появява след забележителните открития на Фарадей (1791—1867), който в 1831 г. открива явлението електромагнитна индукция. За пръв път той на­блюдава получаването на електрически ток при изменение на магнитния поток. Фарадей използува бобина с две намотки, като към първичната свързва батерия, а към вторичната — галванометър. При включване и изключване на батерията към клемите на първичната намотка във вто­ричната се индуктират краткотрайни импулси. По-късно Фарадей уста­новява влиянието на средата върху електрическите и магнитните взаимодействия. Той отрича възможността за непосредствено действие от разстояние. Цялото си внимание съсредоточава не вър­ху източниците, а върху процесите в околното пространство.. Въвежда особена, еластична и проникваща навсякъде хипотетич­на среда — „етер“, в която се разпространяват електромагнитните процеси. Всичко това довежда Фарадей до мисълта, че електромаг­нитните явления се предават с крайна скорост, за което той :ъобщава в специално писмо в 1832 г. По негова молба това писмо се съхранява запечатано в. архивите на Британската академия и се публикува едва след около 100 години — в 1938 г. Ето какво пише в него Фарадей:

„Някои резултати от изследванията, описани от мен в две статии под заглавие „Експериментални работи върху електричествтопо“ неотдавна прочетени в Кралското,,дружество, и въпросите, които произтичат от тях във връзка с други възгледи и опити, ме доведоха до заключението, че за разпространението на магнитното въздействие е необходимо време И по-нататък той продължава: „В настоя­щия момент, доколкото ми е известно, никой от учените освен мен няма подобни възгледи“.

Съвременната теория на електромагнитното поле е създадена от английския физик Джеймс Максуел (1831 — 1879;. Той „превежда“ на математически език екс­перименталните изследвания на Фарадей и въз основа на теоретич­ни съображения въвежда т. нар. ток на разместване (ток на индукцията), равен на изменението на електрическото поле. Мак­суел съставя най-общите уравнения на електромагнитното поле. от конто следва, че електромагнитните въздействия се разпространяват във вакуум със скорост, равна на скоростта на светлината, което навежда Максуел на мисълта, че светлината също представлява електромагнитен процес.

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Теорията на Максуел се потвърждава по-късно от опитите на Хайнрих Херц, който през 1886—1888 г. за пръв път получава електромагнитни вълни и изучава подробно техните свойства. Максуел предсказва теоретично съществуването на електромагнитните вълни, но не дожи­вява до деня, в който Херц експериментално потвърждава това. През 1895 г. Александър С. Попов осъществява първата в света радиовръзка с помощта на електромагнитнитни вълни.

По-късно с развитието на науката и по-точно след опитите на Физо и Майкелсон, а също след появата на теорията на относителността, създадена от Айнщайн, представата за средата „етер“ като „прено­сител“ за електромагнитното поле окончателно се изоставя. Това е забележителен преврат в теорията на електромагнитните явления. Но уравненията на Максуел се запазват и правилно описват всички елек­тромагнитни явления, независимо че тяхната нагледност се загубва.

Отдава се предпочитание на формалната математическа трактовка на явленията. Този период се характеризира с особено остра бор­ба между материалистическите и идеалистнческите възгледи.

В началото на 20 в. физиката разполага с неоспорими доказателства за материалния характер на електромагнитното поле. Благодарение на известния опит на руския физик Лебедев в 1900 г. се доказва, че светлината оказва налягане. Доказва се също, че електромагнитното поле притежава маса и енергия.

Както е известно днес, масата характеризира инерционните и гра­витационните свойства, а енергията е мярка за движението на мате­рията. Ето защо доказателството, според което електромагнитното поле притежава маса и енергия, води до извода, че това поле е разновидност на материята, вид материя. През 1933 г. се открива явлението превръщане на двойка електрон — позитрон в два фотона (гама-кванти), а по-късно и обратното явление — възникване на двойка елементарни частици електрон — позитрон при изчезване на фотоните. Оказва се, че електромагнитно поле може да се получи от частиците на веществото и обратно. Веществото и полето са два вида материя, които имат способността да се превръщат един в друг.

Но на разпространението на тазн материалистическа представа за полето още дълго време пречат неправилните възгледи на някои учени за масата, енергията и тяхната взаимна връзка. Класическата физика не познава такава връзка и допуска тяхното самостоятелно, независимо съществуване.

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Радиотехническа електродинамика Radiotehnicheska elektrodinamika

Със създаването на теорията на относителността от Айнщайн се установява фундаменталната връзка между масата, енергията и ско­ростта: Е=mc2. Тъй като скоростта има много голяма стойност, съгласно с тази формула масата на електромагнитните полета, съз­давани от съвременните технически средства, има много малки стой­ности. Например един средновълнов радиопредавател с мощност 100 kW в течение на 10 h излъчва електромагнитна енергия с маса 4.10_8 kg. Масата на излъчванията от Слънцето и другите „обик­новени“ звезди също има малки стойности. В последно време са открити далечни, свръхмощни източници на електромагнитни излъч­вания, наречени радиозвезди (квазари). Енергията на излъчване за една секунда ‘от радиозвездата 3C273, намираща се на разстояние 1,5 ми­лиарда светлинни години (най-близката радиозвезда!), е равна на 2.1039 J/s и превишава 100 пъти енергията на излъчване на цялата слънчева галактика. Масата на електромагнитното поле при 1 h излъч­ване от тази звезда е 8.1025 kg и е 10 пъти по-голяма от масата на Земята (6.1024 kg).

Термините електрически заряди количество елек­тричество възникват по онова време, когато в учението за електри­чеството господствува представата, че в природата освен твърди, течни и газообразни вещества съществуват и две други вещества: положително и отрицателно електричество. Някои съвременни ав­тори разглеждат понятията електрически заряд и количе­ство електричество като количества от някакъв вид мате­рия. В действителност такива материални субстанции не съществу­ват и подобни разбирания са неправилни.

Видове материя са веществото и полето. Електрическите заряди не са вид материя, те не могат да се отнесат нито към полето, ни- то към веществото. Те само характеризират взаимната връзка меж­ду веществото и полето. По-точно казано електрическият заряд е такова свойство на телата и материалните частици, което характе­ризира тяхната взаимна връзка със собственото електромагнитно поле и тяхното силово взаимодействие с външни електромагнитни полета. Терминът електричество е синоним на термина елек­трически заряди. С него се изразява следователно не някакъв вид материя, а само определено свойство на материалните обекти.

Електрическото поле и магнитното поле не са различни видове материя, а само две страни на по-сложното електромагнитно поле.

Или още, електромагнитното поле като вид материя се характери­зира с наличието на две полета — електрическо и магнитно, свърза­ни чрез непрекъснато взаимно превръщане на базата на явленията електромагнитна и магнитоелектрична индукция. Това взаимно пре­връщане е съпроводено с движение на електромагнитното поле в пространството във вид на електромагнитна вълна.



Sandacite
Sandacite

Вашият коментар

Your message*

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Name*
Email*
Url