Электромагнитные волны вдоль проводов

Введение

Волновые процессы чрезвычайно распространены в природе. В природе существует два типа волн: механические и электромагнитные.
Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения, которое, в частности, включает в себя радиоволны и свет.
Электромагнитное поле может существовать в вакууме, то есть в пространстве, которое не содержит атомов. Несмотря на существенную разницу между электромагнитными и механическими волнами, электромагнитные волны ведут себя как механические волны. Но, как и колебания, все типы волн количественно описываются одинаковыми или почти одинаковыми законами. В своей работе я постараюсь рассмотреть причины возникновения электромагнитных волн вдоль проводов.
Электромагнитные волны излучаются осциллирующими зарядами.  Немаловажно, что скорость таких зарядов изменяется со временем, то есть они движутся с ускорением. Наличие ускорения является основным условием излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебании заряда, но и при любом быстром изменении его скорости.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ВДОЛЬ ПРОВОДОВ

Если переменный ток проходит через провод, вокруг провода возникают переменные электрические и магнитные поля, образующие вместе электромагнитное поле, которое представляет собой особый тип материи.
Электромагнитное поле, движущееся в пространстве, иначе называется электромагнитной волной.
Отдельно друг от друга переменные электрические и магнитные поля не могут существовать. Любое изменение электрического поля вызывает переменное магнитное поле, и, наоборот, любое изменение магнитного поля вызывает переменное электрическое поле. Электромагнитное поле нельзя назвать постоянным электрическим и магнитным полями, которые существуют одновременно в любом месте пространства. В этом случае оба поля независимы и не взаимодействуют друг с другом. А электромагнитное поле представляет собой комбинацию равных переменных электрических и магнитных полей, взаимодействующих друг с другом, как будто поддерживающих друг друга.
Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур ила проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучательная способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло значительную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором создается переменное электромагнитное поле. Поэтому для получения электромагнитных волн замкнутые колебательные цепи не подходят, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное поле находится внутри индуктора.
Свойства электромагнитных волн
Одной из важнейших характеристик электромагнитных волн, определяющих их специфические особенности, считается частота электромагнитных колебаний и связанная с ними длина волны. Электромагнитные волны охватывают широкий диапазон колебаний различной частоты.
Радиоволны занимают широкую область электромагнитных колебаний. Радиоволны относятся колебания с частотами от 10 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 30 м до 1 мм.
Радиоволны вызываются с помощью электрических цепей, неустойчивыми токами надлежащей частоты. С учетом отличительных черт их распространения в наземных условиях радиоволны отличают по следующим диапазонам (табл. 1).
Таблица 1

Радиоволны - это инфракрасные волны с длиной волны до 0,77 мкм (частоты до 4х105 ГГц). Источниками этих волн являются слабо нагретые тела, а также оптические квантовые генераторы. Инфракрасные лучи обнаруживаются по их тепловым воздействиям.
Инфракрасное излучение сопровождается видимым светом, который соответствует длинам волн от 0,77 до 0,38 мкм (частота до 8 × 105 ГГц). Источниками световых волн являются атомы и молекулы различных тел, которые излучают эти волны под воздействием определенных внешних воздействий. Мощным источником электромагнитных колебаний светового диапазона являются оптические квантовые генераторы (лазеры). Световое излучение определяется глазом, а также фотографическим, фотоэлектрическим и тепловым эффектами.
Следующий диапазон электромагнитных колебаний занимают ультрафиолетовые лучи с длинами волн от 0,38 до 0,05 мкм (частота до 6 × 106 ГГц)

. Их источниками являются возбужденные атомы различных тел, испускающие лучи под воздействием некоторых внешних воздействий. Эти лучи регистрируются фотоэлектрическими и фотографическими методами.
За ультрафиолетовыми лучами находится область рентгеновских лучей и даже более короткие гамма-лучи, испускаемые атомами и отдельными элементарными частицами вещества (электронами, протонами и т. д.). Под влиянием различных влияний. Все короткие волны, начиная со света, способны ионизировать газы; Это свойство используется для обнаружения самых коротких электромагнитных волн.
Законы распространения электромагнитной энергии тесно связаны с электрическими и магнитными свойствами среды, которые характеризуются диэлектрической проницаемостью ε, измеряемой в фарадах на метр (F / M), магнитной проницаемостью µ, измеряемой в Генри на метр (г / м), и проводимость σ, измеренная в Siemens на метр (см / м). Однородная среда, в которой электромагнитные волны не испытывают поглощения, отражения или рассеяния, называется свободным пространством или вакуумом. На самом деле такого пространства нет, но свойства космоса близки к нему. Для свободного пространства σ = 0, поскольку нет свободных электрических зарядов, которые вызывают электрическую проводимость.
Одной из важнейших характеристик электромагнитных волн является их скорость распространения, которая в свободном пространстве одинакова для всех длин волн и является одной из фундаментальных констант физики. В реальной среде скорость распространения электромагнитных волн зависит от свойств среды и частоты электромагнитных колебаний. Если параметры электромагнитной среды зависят от частоты колебаний, то волны такой частоты распространяются в такой среде с разными скоростями. Это явление называется дисперсией, а дисперсионная среда называется дисперсией. Свободное пространство, как упоминалось выше, является недисперсионной средой. Атмосфера в ее нижней части (ниже ионосферы) для радиоволн является недисперсионной средой и, следовательно, скорость их распространения в атмосфере не зависит от частоты. Для световых волн нижняя атмосфера является диспергирующей средой.
При взаимном движении источника электромагнитных колебаний и приемника энергии возникает эффект Доплера, заключающийся в изменении частоты принимаемых колебаний. Когда источник удален, частота колебаний уменьшается и увеличивается по мере приближения. Эффект Доплера важен в астрономии и используется для определения положения искусственных космических объектов.
Рассмотрим двухпроводную линию, которая бесконечно расширяется в обоих направлениях, и предположим, что источник переменного тока создает в любой точке 0 линий (рис. 1 (а) электрического поля. Опыт показывает, что электрическое поле распространяется вдоль линии. Опишем процессы распространения поля.
Одним из методов передачи электрического поля является возникновение токов проводимости. В этом случае электроны в проводах движутся вдоль линии и передают свой электрический заряд, а вместе с ним и электрическое поле.
Существует еще один процесс передачи поля, который играет большую роль во многих явлениях. Он был открыт Максвеллом и состоит в распространении электромагнитных волн.
Предположим, что в данный момент времени электрическое поле  увеличивается. Согласно основному положению теории Максвелла изменяющееся электрическое поле, т.е. ток смещения, вызывает появление магнитного поля. Модуль и направление этого магнитного поля соответствуют току с плотностью  . Так как поле  увеличивается, то  и направление тока смещения  совпадает с направлением  . Применяя правило правого буравчика, мы находим, что магнитное поле  направлено так, как показано на рис. 1а.
Но согласно второму основному положению теории Максвелла, изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля. Следовательно, в последующий момент времени возникнет электрическое поле . Оно будет направлено так же, как и индукционный ток, который возник бы в замкнутом проводнике под действием возрастающего поля  (рис. 1а).
Если бы проводов линии не было, то линии поля  содержали бы участки, отмеченные на рисунке штрихом. Если провода выполнены из хорошо проводящего материала (металла),  таком случае  напряженность электрического поля в них будет очень мала и практически не будет пунктирных участков линий электропередач.

А)

Б)
В) 
Рис. 1- Распространение электромагнитного импульса вдоль проводов
Возрастающее электрическое поле  создаёт собой ток смещения, который вызовет появление магнитного поля