Vznik a šíření elektromagnetického vlnění

Prezentace na téma: "Vznik a šíření elektromagnetického vlnění"— Transkript prezentace:

1 Vznik a šíření elektromagnetického vlnění

2 Lehce z historie Roku 1865 skotský fyzik James Clerk Maxwell matematicky odvodil, že existují elektromagnetické vlny, které se šíří rychlostí světla. Maxwell objevil, že viditelné světlo je příčné elektromagnetické vlnění v určitém intervalu frekvencí a tím se optika stala součástí nauky o elektromagnetických jevech. Maxwell zároveň předpověděl, že kromě světla musí existovat i jiné, nepozorované vlnění. Svou práci však nedokončil, neboť v 48 letech zemřel.

3 Vliv prostředí na elektromagnetické pole
Prostředí je kvalifikováno třemi základními parametry , ,  (v němž se může elektromagnetické pole nacházet )  - konduktivita prostředí  - permitivita prostředí  - permeabilita prostředí Prostředí lineární x nelineární Prostředí homogenní x nehomogenní Prostředí izotropní x anizotropní Veličiny pro popis polí Vliv prostředí Úvod

4 Veličiny pro popis polí
Vliv prostředí na elektromagnetické pole Konduktivita prostředí (měrná vodivost)  kvantifikuje schopnost prostředí vést elektrický proud vedený. Jednotka S/m = 1/m Závisí na teplotě, koncentraci nosičů nábojů a jejich pohyblivosti. Základní vztah: J = E Permitivita prostředí (dielektrická konstanta)  kvantifikuje schopnost prostředí vést indukční tok elektrický. Jednotka As/Vm = F/m Závisí na schopnosti prostředí polarizovat se a vytvářet nenulové hustoty vázaných nábojů. Základní vztah: D = E  - konduktivita prostředí  - permitivita prostředí  - permeabilita prostředí  - permeabilita prostředí Permeabilita prostředí  kvantifikuje schopnost prostředí vést magnetický indukční tok. Jednotka Vs/Am = H/m Závisí na schopnosti prostředí orientovat své magnetické momenty do směru vnějšího magnetického pole. Základní vztah B = H Veličiny pro popis polí Vliv prostředí Úvod

5 Veličiny pro popis polí
Vliv prostředí na elektromagnetické pole  - konduktivita prostředí  - konduktivita prostředí  - permitivita prostředí  - permeabilita prostředí Konduktivita prostředí  kvantifikuje schopnost prostředí vést elektrický proud vedený. Jednotka S/m = 1/m Závisí na teplotě, koncentraci nosičů nábojů a jejich pohyblivosti. Základní vztah: J = E Veličiny pro popis polí Vliv prostředí Úvod

6 Veličiny pro popis polí
Vliv prostředí na elektromagnetické pole  - permitivita prostředí Konduktivita prostředí  kvantifikuje schopnost prostředí vést elektrický proud vedený. Jednotka S/m = 1/m Závisí na teplotě, koncentraci nosičů nábojů a jejich pohyblivosti. Základní vztah: J = E Permitivita prostředí (dielektrická konstanta)  kvantifikuje schopnost prostředí vést indukční tok elektrický. Jednotka As/Vm = F/m Závisí na schopnosti prostředí polarizovat se a vytvářet nenulové hustoty vázaných nábojů. Základní vztah: D = E  - konduktivita prostředí  - permitivita prostředí  - permeabilita prostředí Veličiny pro popis polí Vliv prostředí Úvod

7 PROSTŘEDÍ LINÁRNÍ A NELINEÁRNÍ
Prostředí posuzujeme jako lineární v případě, je-li parametr, charakterizující toto prostředí konstantní pro všechny hodnoty polní veličiny (obecně veličiny x). Platí zde tedy lineární funkce y = ax (tedy přímá úměrnost), kde a je parametr prostředí (tj. ,  nebo ), x nezávisle proměnná polní veličina (E nebo H), a y závisle proměnná polní veličina (J, D, B). Pokud parametr prostředí konstantní není, jedná se o prostředí nelineární. Prostředí LINEÁRNÍ NELINEÁRNÍ Proudové pole J = E Elektrické pole D = E Magnetické pole B = H J J g  f(E) g = f(E) E E D D e  f(E) e = f(E) E E B B µ = f(H) µ  f(H) H H Veličiny pro popis polí Vliv prostředí Úvod

8 Kondenzátor a cívka (zákl.parametry)

9 Generování elektromagnetických vln
B(t)

10

11 Rovinná elektromagnetická vlna

12 Elektromagnetické kmity pozorujeme v paralelním LC obvodu.
B(t)

13 Sepneme-li spínač, kondenzátor se začne vybíjet přes cívku, která se chová jako rezistor.
B(t)

14 Proud roste, napětí na kondenzátoru klesá
Proud roste, napětí na kondenzátoru klesá. Elektrické pole kondenzátoru zaniká a cívka vytváří pole magnetické.

15 Po uplynutí čtvrtperiody je kondenzátor vybitý – elektrické pole se již úplně změnilo na pole magnetické.

16 Proud nyní dosahuje svého maxima, byť napětí na kondenzátoru je nulové.

17 V další čtvrtperiodě se cívka naopak začne chovat jako zdroj napětí, který znovu nabijí kondenzátor. Proud nyní klesá, ale napětí roste.

18 Po uplynutí této čtvrtperiody je kondenzátor již opět nabitý a magnetické pole se úplně změnilo na pole elektrické.

19 Napětí na kondenzátoru nyní dosahuje své původní hodnoty (byť s opačnou polaritou) a proud je opět nulový.

20 Paralelní LC obvod právě učinil jeden půlkmit, přičemž celý proces se opakuje.

21 Dostali jsme tak elektromagnetické oscilace, …

22 … jejichž frekvence je dána Thompsonovým vztahem:

23 V praxi však mají vodiče obvodu elektrický odpor, na němž se část elektrická energie nevratně mění na teplo. Kmity proto mají stále nižší amplitudu a jsou tlumené…

24 Chceme-li vytvořit oscilace netlumené, musíme kondenzátor po každé periodě připojit ke zdroji napětí, který obnoví původní stav. Zdroj tak kompenzuje úbytek elektrické energie. Prvkem, který periodicky připojuje kondenzátor ke zdroji napětí, je tranzistor.

25 Vzniknou tak elektromagnetické oscilátory, které již…

26 …kmitají netlumeně.

27 Elektromagnetické vlnění

28 Jestliže nyní k vysokofrekvenčnímu oscilátoru (f  100 kHz a vyšší) připojíme vodič – anténu, tak elektrické pole do ní pronikne a … anténa

29 …rozkmitá v ní obsažené volné elektrony
…rozkmitá v ní obsažené volné elektrony. Kolem nich vznikne elektrické a magnetické pole, do nichž se kmity přenesou a dále se jimi konečnou rychlostí šíří jako vlnění.

30 Kmitající elektrony vytvářejí elektrický dipól, kolem něhož vzniká elektrické pole.
Jakmile dipól opět zanikne, elektrické pole se odtrhne a již se samostatně šíří prostorem.

31 Elektrostatické a elektromagnetické pole
                                                                                                                                                  

32 Elektrické pole se odtrhává od antény:

33 Toto vlnění pak nazýváme vlněním elektromagnetickým.

34 Elektromagnetické vlnění
Elektrická složka Magnetická složka

35 Elektrická složka elmg pole

36 Elektrická složka elmg pole

37 Vlastnosti elektromagnetického vlnění

38 Elektromagnetická vlna má dvě navzájem neoddělitelné složky – elektrickou charakterizovanou vektorem elektrické intenzity E a magnetickou popsanou vektorem magnetické indukce B.

39 Vektory E a B jsou kolmé navzájem a zároveň oba kolmé ke směru šíření vlnění, tj. k vektoru rychlosti v:

40

41 Protože vektory E a B kmitají kolmo ke směru šíření, je elektromagnetické vlnění vlnění příčné.

42 Protože vektor E (stejně jako B) kmitá v jedné rovině, je elektromagnetické vlnění lineárně polarizované.

43 Elektromagnetické vlnění se šíří stejnou rychlostí jako světlo, tzn
Elektromagnetické vlnění se šíří stejnou rychlostí jako světlo, tzn. ve vakuu rychlostí c=3.105 km/s, v látkovém prostředí potom rychlostí menší podle vztahu:

44 Elektromagnetické vlny se šíří přímočaře, mají však schopnost pronikat za překážky (ohyb). Schopnost ohybu pak klesá s klesající vlnovou délkou.

45 Dopadnou-li na rozhraní dvou prostředí, tak se částečně odrážejí a částečně do druhého prostředí pronikají. Přitom se lámou.

46 Interference přímého a odraženého vlnění
Dráhový rozdíl přímého a odraženého vlnění Dl způsobí: Dl = 2k l/2…………zesílení(.. ve fázi) Dl = (2k + 1) l/2…..zeslabení( ..v protifázi)

47 Rozhlas a TV Ve vysílači je vlna určité nosné frekvence napřed modulována přenášeným signálem. Obvykle to bývá amplitudově AM nebo frekvenčně FM. Potom je zesílena a přes anténu vyslána do prostoru. Přijímač musí mít anténu citlivou buď na elektrickou nebo magnetickou složku vlny. Jeho důležitou částí je ladící obvod, v němž se vybírá správná frekvence přijímaných vln.

48 Elektromagnetické vlnění využíváme především k přenosu informací.
Jakmile vlnění zasáhne anténu přijímače, začnou její volné elektrony kmitat stejně jako ty v anténě vysílače. Kmitající elektrony v anténě jsou zdrojem elmg vlnění. vysílač přijímač … odkud je vedena k dalšímu zpracování. LC obvod vysílače je zdrojem elmg kmitů. Elektromagnetická energie se kumuluje v LC obvodu přijímače, který je s LC obvodem vysílače v rezonanci, …

49 Antény pro příjem DV a SV
• Antény magnetické - feritové a rámové Vazba antény Starý způsob vazební vinutí. Nový způsob FET

50 šíření vln -Pri šírení vlny nad zemským povrchem je rozhodující, jak „si poradí“ s prekážkami (budovami, kopci, konstrukcemi, ...). Zjednodušene lze ríci, že vadí ty prekážky, které jsou srovnatelné a vetší než délka vlny. V nich se vlna pohltí, nebo se odrazí a za prekážkou je stín, místo bez možnosti príjmu. Menší prekážky vlna prekoná pomocí ohybu (což je vlastne dusledek lomu).

51 Maxwellovy rovnice:

52 Poznámka: Roku 1865 zformuloval skotský fyzik James Clerk Maxwell čtyři rovnice, které popisují veškeré elektrické a magnetické jevy.

53 James Clerk Maxwell – skotský fyzik

54 Maxwellovy rovnice:

55

56 Maxwellovy rovnice I Nyní jsme připraveni napsat Maxwellovy rovnice.
Tyto rovnice existují v několika verzích a úrovních obecnosti. Pro pochopení fyzikálního smyslu stačí pracovat s jednoduššími Maxwellovými rovnicemi v integrálním tvaru, platnými pro vakuum.

57 Maxwellovy rovnice II

58 Maxwellovy rovnice I…slovy:
První rovnice je Gaussova věta elektrostatiky, která říká, že : Existují zdroje elektrického pole – náboje. Jsou-li náboje přítomny, začínají elektrické siločáry v kladných nábojích (nebo nekonečnu) a končí v nábojích záporných (nebo nekonečnu). Pole bodového náboje klesá jako 1/r2.

59 Maxwellovy rovnice II. Druhá rovnice je Faradayův zákon elektromagnetické indukce, který říká, že : Elektrické pole může vznikat také časovou změnou pole magnetického. V tomto případě není konzervativní a jeho siločáry jsou uzavřené křivky. Není-li přítomno časově proměnné magnetické pole, je elektrické pole konzervativní a existuje v něm skalární potenciál.

60 Maxwellovy rovnice III.
Třetí rovnice je Gaussova věta magnetismu, která říká, že : Neexistují oddělené zdroje magnetického pole – magnetické monopóly. Magnetické siločáry jsou uzavřené křivky. Pole proudového elementu klesá jako 1/r2.

61 Maxwellovy rovnice IV. Čtvrtá rovnice je zobecněný Ampérův zákon, který říká, že: Magnetické pole je vytvářeno buď proudy nebo časovými změnami elektrického pole. Magnetické siločáry jsou uzavřené křivky.

62 Maxwellovy rovnice V MAXW. rovnicích a rovnici pro Lorentzovu sílu je veškerá informace o elektromagnetismu. Z těchto rovnic vyplývá mnoho zajímavých důsledků, z nichž některé byly předpověděny: Existuje jedno elektro-magnetické pole. Pouze ve speciálním statickém případě není první dvojice rovnic propojena s druhou a elektrostatické a magnetostatické pole mohou být uvažována zvlášť. Existují elektromagnetické vlny. Existují složitější verze Maxwellových rovnic.

63 Na základě těchto rovnic předpověděl existenci elektromagnetických vln, které jako první experimentálně prokázal Henrich Rudolf Hertz…

64 Heinrich Rudolf Hertz – německý fyzik

65 … s pomocí této aparatury.

66 … s pomocí této aparatury.

67 První, kdo by dovedl přenášet zprávy elektromagnetickým vlněním, byl Nikola Tesla. Protože to však nepovažoval za důležité a věnoval se raději experimentům s bezdrátovým přenosem elektrické energie, přenechal prvenství Guglielmo Marconimu.

68 italský fyzik, vynálezce, politik a podnikatel
Guglielmo Marconi – italský fyzik, vynálezce, politik a podnikatel

69

70 Spark Transmitter used by Guglielmo Marconi at S
Spark Transmitter used by Guglielmo Marconi at S. Bartolomeo location, with Righi's oscillator, Ruhmkorff coil , Morse key and battery. (1897)

71 Konec