25. Elektromagnetické vlnenie

25. Elektromagnetické vlnenie

• vznik elektromagnetického vlnenia – je vlnenie skladajúce sa z 2 častí : 1)elektrickej

2) magnetickej

– jeho zdrojom je elektromagnetický oscilátor (napr. zdroj striedavého prúdu) => energia sa prenáša zo zdroja do prostredia

• 
  k zdroju elektromagnetického vlnenia je pripojený rad oscilačných obvodov, ktoré sú navzájom pospájané väzbou => kmitanie vynútené v jednom oscilačnom obvode sa prostredníctvom väzby prenáša do ďalšieho oscilačného obvodu => vedením sa šíri elektromagnetická vlna
• elektrická zložka vlny – je opísaná intenzita elektrického poľa E, ktorá kmitá (no v rôznych miestach vedenia je intenzita iná)

E = E _m . sin . 2π . ( t/ T – x / λ )

• E _{m –} maximálna hodnota, ktorú môže intenzita pozdĺž celého vedenia dosiahnuť
• t , x – určujú čas a miesto vo vedení kde určujeme hodnotu intenzity
• T , λ – určujú periódu a vlnovú dĺžku šíriacej sa elektromagnetickej vlny

• magnetická zložka vlny – je opísaná indukciou B magnetického pola, ktorá kmitá (v dôsledku zmeny elektrického pola – elektromagnetická indukcia)

B = B _m . sin . 2π . ( t/ T – x / λ )

• vektory B a E kmitajú vo fáze v každom okamihu na seba kolmo a zároveň kmitajú na smer šírenia sa vlnenia => elektromagnetické vlnenie je priečne vlnenie
• 
  elektromagnetické vlnenie prenáša energiu, ale nie hmotu
• energia sa neprenáša vodičmi, ale polom => nepotrebuje prostredie
• rýchlosť elektromagnetického vlnenia – rýchlosť vo vákuu (vzduch) je 3.10⁸ m/s => C
• C – rýchlosť svetla vo vákuu

– v každom ďalšom prostredí sa elektromagnetická vlna šíri pomalšie

v = C / √ E _r . μ _r – vo vode 9x pomalšie ako vo vákuu

• E _r – relatívna permitivita (elektrické vlastnosti )
• μ _r – relatívna permeabilita (magnetické vlastnosti )

• vlastnosti elektromagnetického vlnenia :

1. a) v rôznom prostredí má elektromagnetická vlna rôznu vlnovú dĺžku, vlnová dĺžka elektromagnetickej vlny je toľkokrát menšia, koľkokrát je menšia jej rýchlosť v danom prostredí

1. b) polarizácia elektromagnetickej vlny – ak kmitá vektor E a B len v jednom smere, elektromagnetická vlna je polarizovaná 

– ak v rôznych smeroch rovnako pravdepodobne tak je nepolarizovaná

• o polarizácii sa presvedčíme tak, že vlneniu postavíme do cesty mriežku z rovnobežných vodičov => ak sú vodiče rovnobežné so smerom výchylky vektora E, vlnenie cez mriežku prechádza, ak mriežku skrížime o 90° => vlnenie neprechádza

1. c) ohyb elektromagnetickej vlny – vzniká ak elektromagnetické vlnenie dopadá na otvor v prekážke a je tým výraznejšie, čím porovnateľnejšie sú rozmery prekážky s vlnovou dĺžkou (vlnenie sa dostáva aj za prekážku)

1. d) odraz vlnenia – ak vlnenie dopadá na prekážku pod určitým uhlom, tak pod tým istým uhlom sa aj odráža => zákon odrazu

– ak dopadne kolmo, odrazí sa kolmo naspäť => vzniká stojaté vlnenie

1. e) interferencia vlnenia – vzniká ak sa do jedného bodu súčasne dostanú dve elektromagnetické vlny – amplitúda výsledného vlnenia závisí od dráhového rozdielu zložiek

Δd = 2k . λ /2 => max.

Δd = (2k + 1) . λ /2 => min.

• stojaté elektromagnetické vlnenie – vzniká vo vedení, ak sa elektromagnetické vlnenie na jeho konci odrazí

• 
  napätie a prúd sú fázovo posunuté o π/2 => ak má napätie uzol, prúd tam má kmitanie a naopak
• na konci vedenia má napätie kmitňu a prúd uzol => na konci vedenia je napätie maximálne a prúd je nulový
• energia elektrického pola sa mení na energiu magnetického pola a naopak, keď je prúd maximálny celá energia je vo forme magnetického pola a keď je napätie maximálne, celá energia je vo forme elektrického pola
• energia sa pri elektromagnetickom vlnení neprenáša
• vektory E a B sú fázovo posunuté o π/2

• 
  elektromagnetický dipól – ak sa elektromagnetické vlnenie šíri dvojvodičovím vedením, elektromagnetická energia je sústredená hlavne medzi vodičmi
• ak chceme aby sa dostala do priestoru, vyhneme konce vedenia do smeru kolmého na vedenie (vo vzdialenosti λ/4 od konca vedenia => vzniká elektromagnetický dipól )
• 
  v elektromagnetickom dipóle vzniká stojaté vlnenie => napätie má na koncoch dipólu kmitňu a v strede dipólu uzol, prúd má na koncoch uzol a v strede kmitňu => dipól vyžaruje do prostredia elektromagnetickú energiu, teda je to otvorený oscilátor
• najviac energie vyžaruje v smere kolmo na os dipólu ( vo vodorovnom smere)
• je základnou súčiastkou vysielačov a prijímačov – anténa
• ako prijímač funguje, tak že pri dopade elektromagnetickej energii sa nútene rozkmitá, toto kmitanie sa zosilní a upraví na zvukový alebo obrazový signál

• šírenie elektromagnetického vlnenia – závisí od jeho vlnovej dĺžky :

1. a) dlhé vlny ( λ = 1000 m)
2. b) stredné vlny ( λ = 100 m)

• dlhé a stredné vlny sa využívajú na ohyb vlnenia pozdĺž zemského povrchu => ich príjem je možný aj za veľkými prekážkami v členitom teréne

1. c) krátke vlny ( λ = 10 m) – využívajú odraz od vrstvy ovzdušia od ionosféry => určité množstvo molekúl sa vplyvom slnečného žiarenia rozštiepi v ionosfére na ióny a elektróny odkiaľ sa potom tieto vlny odrážajú do veľkých vzdialeností

1. d) veľmi krátke vlny ( λ = 10cm -1m) – na ich šírenie treba pomerne rovný terén

– policajti – radar

– takéto priamočiare šírenie sa používa pri rádiolokácii

1. e) centimetrové vlny (λ = 1cm) – družicový príjem

• teória elektromagnetického pola – elektromagnetické pole, ktoré sa elektromagnetickým vlnením šíri skúmal Maxwell, ktorý vychádzal z poznatku, že zmena magnetického pola indukuje elektrické pole, predpokladal že to platí aj opačne => javy, ktoré vznikajú pri zmenách elektrického a magnetického pola sú symetrické

• tento predpoklad je základom teórie elektromagnetického pola, ktoré Maxwell zhrnul do 4 rovníc (diferenciálnych):

1) indukované elektrické pole má uzavreté siločiary a elektrostatické pole má otvorené siločiary => dáva do súvisu elektrické pole s jeho zdrojmi

2) magnetické pole má vždy uzavreté indukčné čiary => dáva do súvisu magnetické pole s jeho zdrojmi (neexistuje samostatný magnetický pól)

3) každá zmena magnetického pola vyvolá elektrické pole

4) každá zmena elektrického pola vyvolá magnetické pole