Файл: Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие.pdf

Широкую область электромагнитных колебаний занимают радио­ волны. К радиоволнам относят колебания с частотами от 10 МГц до —300 ГГц, что соответствует длинам волн от 30 км до 1 мм.

Радиоволны возбуждаются при помощи электрических цепей, питаемых переменными токами соответствующей частоты. Примени­ тельно к особенностям их распространения в земных условиях радио­ волны различают по следующим диапазонам (табл. 1).

К радиоволнам примыкают волны инфракрасного излучения с дли­ ной волны до 0,77 мкм (частота до 4-105 ГГц). Источниками этих волн служат слабонагретые тела, а также оптические квантовые генера­ торы. Инфракрасные лучи обнаруживаются по их тепловому дей­ ствию.

За инфракрасным излучением следует видимое световое, которому соответствуют длины волн от 0,77 до 0,38 мкм (частота до 8 -105 ГГц). Источниками световых волн являются атомы и молекулы различных тел, излучающие эти волны под влиянием некоторых внешних воз­ действий (например, нагретые тела или газы, светящиеся под влия­ нием электрических разрядов). Мощным источником электромагнит­ ных колебаний светового диапазона являются оптические квантовые генераторы (лазеры). Световое излучение обнаруживается глазом, а также по фотографическому, фотоэлектрическому и тепловому действиям.

Следующий диапазон электромагнитных колебаний занимают ультрафиолетовые лучи, длины волн которых лежат в пределах от 0,38 до 0,05 мкм (частота до 6-10е ГГц). Источниками их являются возбужденные атомы различных тел, испускающие лучи под влия­ нием некоторых внешних воздействий. Эти лучи обнаруживаются фотоэлектрическим и фотографическим методами.

За ультрафиолетовыми лучами лежит область рентгеновых и еще более коротких — гамма-лучей, испускаемых атомами и отдельными элементарными частицами вещества (электронами, протонами и др.) под влиянием различных воздействий. Все короткие волны, начиная

13

со световых, способны ионизировать газы; этим их свойством поль­ зуются для обнаружения наиболее коротких электромагнитных волн.

Законы распространения электромагнитной энергии тесно свя­ заны с электрическими и магнитными свойствами среды, которые

измеряемой в сименсах на метр (См/м). Однородную среду, в которой электромагнитные волны не испытывают поглощения, отражения и рассеяния, называют свободным пространством или вакуумом. Реально такого пространства не существует, но свойства космического пространства близки к нему. Для свободного пространства о = О, так как в нем нет свободных электрических зарядов, обусловлива­ ющих электропроводность. Диэлектрическая и магнитная проница­ емости свободного пространства равны

(2)

и.о = 4я - 10 - 7 Г/м .

Обычно пользуются относительными значениями диэлектрической е' и магнитной ц' проницаемостей, определяемых как отношения па­ раметров среды к соответствующим параметрам свободного про­ странства

Относительные проницаемости — величины безразмерные. Для свободного пространства е' = ' ц ' = 1.

Среду, во всех точках которой е' = const, ц' = 1 и о — 0, назы­ вают идеальным диэлектриком. В такой среде отсутствуют свободные электрические заряды и распространение электромагнитных волн происходит без потери энергии. Приземный слой атмосферы по своим свойствам близок к идеальному диэлектрику. Воды водоемов, почвы и ионизированные слои атмосферы Земли относятся к полупроводя­ щим средам, для которых а Ф 0. Электромагнитные колебания, рас­ пространяясь в таких средах, наводят в них электрические токи, что приводит к потере энергии колебаний, т. е. к уменьшению их амплитуды по мере распространения.

Динамика электромагнитных волн описывается дифференциаль­ ными уравнениями Максвелла, которые устанавливают связь между параметрами среды и волны. Решение уравнений Максвелла в случае распространения плоских волн в идеальном диэлектрике имеет вид

14

в которых Ех, Еу и Ег — проекции вектора напряженности электри­ ческого поля Е на оси координат; Нх, Ну и Нг — проекции вектора напряженности магнитного поля H на оси координат; / (х -f- vt) —

функция, характеризующая волну; ѵ = *

Из второго и четвертого уравнений (4) следует, что в любой точке, движущейся в положительном направлении оси А" со скоростью ѵ, значения напряженностей электромагнитного поля Ег и Ну остаются постоянными. В самом деле, положение такой точки на оси х опреде­ ляется координатой X = vt + XQ, где хо — ее координата в момент t — 0, и, следовательно, величины Ег и Ну в этрй точке имеют зна­ чения:

Hy^-YjHx + vt)]

определяет волну, распространяющуюся со скоростью г;в отрицатель­

так как продольные составляющие электрического и магнитного полей равны нулю (Ех — Нх = 0).

Вид функции / (х — vt) определяет характер волны. Волны, в которых напряженности электромагнитного поля являются гармо­ ническими функциями времени, называют монохроматическими. В этом случае колебания напряженностей электромагнитного поля подчиняются уравнениям

15

В уравнениях (5) Ег и Ну — мгновенные значения напряженностей поля; Ет и Нт — амплитуды напряженностей; о = 2я/ — кру­ говая частота колебаний; / — частота колебаний; фо — начальная фаза; t — время.

Из уравнений (4) и (5) видно, что в каждой точке пространства, обладающего свойствами идеального диэлектрика, колебания элек­ трической и магнитной напряженностей электромагнитного поля со­ впадают по фазе и происходят в направлениях, перпендикулярных друг к другу и к направлению распространения волны (см. рис. 2).

К характеристикам гармонического колебания также относятся:

которое называют уравнением бегущей волны. Обычно бегущую волну

будет изображать график изменения напряженности в точке M в за­ висимости от времени t. Если положить постоянным t, то график (см. рис. 3) будет выражать зависимость напряженности поля от расстояния в один момент времени.

Изложенное относится к распространению электромагнитных волн в идеальном диэлектрике. Реальные среды обычно отличаются от диэлектрика. По электромагнитным свойствам они тем ближе к ди­

к полупроводящим. Уравнения электромагнитных колебаний в одно-

16

родной полупроводящеи среде при изменении напряженности элек­ трического поля по гармоническому закону имеют вид

(8)

Н-— Нте-™ cos [cd ( t - £ ) - Ф]

Изображение электромагнитной волны в полупроводящей среде приведено на рис. 4. По мере распространения электромагнитных колебаний, вследствие проводимости среды их энергия убывает, что

носом энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии Q, т. е. количество энергии, протекающей в единицу времени через еди­ ничную площадку, перпендикулярную направлению распространения

Для синусоидально изменяющейся электрической напряженности