Электромагнитное поле в длинной линии

Поле бегущей волны

Как известно из электротехники, в пространстве, окружающем провода линии, существуют электрическое и магнитное поля. Структура энергетического поля БВ в двухпроводной линии показана на рис. 21а. Электрические силовые линии (е.с.л.) направленные от положительно заряженного проводника к отрицательно заряженному и всегда перпендикулярны поверхности проводника. Их густота пропорциональна напряженности электрического поля – Е. Она максимальная в тех точках, где напряжение БВ и напряженности поля в данный момент имеют амплитудное значение (,).

Рис. 21. Электромагнитное поле бегущей волны в двухпроводной линии:

а) электрическое поле;

б) магнитное поле;

в) изменение напряженностей полей Е и Н вдоль оси линии;

г) построение вектора П.

Магнитные силовые линии (м.с.л.) имеют форму замкнутых кривых окружающих проводник с током (рис. 21б). Их направление определяется правилом правого буравчика, а густота пропорциональная напряженности магнитного поля H.

В точках пересечения э.с.л. и м.с.л. взаимно перпендикулярны. БВ тока и напряжения, а значит электрического и магнитного полей, совпадают по фазе в пространстве и во времени. Это значит, что в данный момент времени в одной и той же точке линии оба поля максимальны, а в другой – равны нулю.

На рис. 9.21в показаны графики изменения напряженности полей Е и Н вдоль оси линии. Для фиксированного момента времени им пропорциональны длины векторов и . Как известно, энергия БВ распространяется от ГВЧ к нагрузке. Такая волна называется поперечной электромагнитной и обозначается ТЕМ.

Вектор плотности потока электромагнитной мощности

Электромагнитная энергия, передаваемая по линии, сосредоточена в электромагнитном поле (ЭМП), окружающем провода линии. По величине и направлению поток мощности электромагнитного поля характеризуется вектором плотности потока электромагнитной мощности введённым Умовым и Пойнтингом.

Вектор равен векторному произведению векторов и :

Векторное произведение есть вектор, перпендикулярный плоскости векторов сомножителей (рис. 21в) и численно равным площади параллелограмма, построенного на этих векторах.

Поскольку , то и ; . Направление вектора П определяется правилом правого буравчика, рукоятка которого вращается от и по кратчайшему пути. Как видно из рис. 21 в при одновременном изменении направлений обоих векторов и , направление вектора не изменяется. Таким образом отображается однонаправленная передача энергии БВ.

Размерность вектора : .

Следовательно, вектор численно равен потоку мощности ЭМП, пересекающему нормальную (перпендикулярную) ему площадку в . Интеграл-сумма векторов по всей площади, занимаемой ЭМП, равен полной мощности БВ.

Рис. 22. Электромагнитное поле стоячей волны в разомкнутой линии:

а) схема; б) изменение полей Е и Н вдоль оси линии; в) построение вектора П.

Поле стоячей волны

На рис. 22 показаны графики ЭМП СВ. Волны Е и Н сдвинуты вдоль линии на , так же как и волны U и I.

При изменении направления одного из полей вектор П тоже меняет направление. Поэтому, если на одном четверть волновом участке в данный момент энергия направлена к нагрузке, то на соседних – к ГВЧ. Это соответствует реактивному характеру нагрузки ГВЧ.

Вопросы для самопроверки

1. Какой физический процесс происходит в конце разомкнутой линии?

2. Чем отличаются друг от друга падающая и отражающая волны, что получится в результате их сложения?

3. Что называется узлами и пучностями тока и напряжения, в каких точках линии они возникают?

4. Каковы свойства СВ, чем они отличаются от соответствующих свойств БВ?

5. От каких факторов и как зависит входное сопротивление РЗЛ?

6. Чем определяется характер входного сопротивления при СВ?

7. Какой РТЦ эквивалентен отрезок линии, длина которого равна нечётному (чётному) числу четвёртой волны, и почему?

8. Каковы применения РЗЛ в радиотехнике? Объясните каждое из них.

9. Чем отличается процесс отражения волн, образование СВ и входное сопротивление КЗЛ от соответствующих свойств РЗЛ?

10. Каковы основные применения КЗЛ? Объясните каждое из них.

11. При каких условиях применяется линия, нагруженная на конденсатор? Как рассчитывается их ёмкость?

12. Можно ли утверждать, что энергия БВ распространяется по проводам линии?

13. Какова структура ЭМП бегущей волны в двухпроводной линии?

14. Что называется вектором плотности потока электромагнитной мощности? Как она используется?

15. Пользуясь вектором объясните, почему входное сопротивление линии при БВ является активным, а при СВ – реактивным?