전자기파를 방출하는 것. 전자기 복사 - 정의, 품종, 특성

전자파교류 전자기장의 공간에서 전파 과정이라고합니다. 이론적으로 전자기파의 존재는 1865년 영국 과학자 Maxwell에 의해 예측되었고, 1888년 독일 과학자 Hertz가 실험적으로 처음 발견했습니다.

벡터의 진동을 설명하는 공식으로 Maxwell의 이론을 따릅니다. 축을 따라 전파하는 평면 단색 전자기파 엑스는 방정식으로 설명됩니다.

여기 이자형그리고 시간순시 값이며, 이자형엠과 시간 m - 전기장 및 자기장의 진폭 값, ω - 원형 주파수, 케이- 파수. 동일한 주파수와 위상으로 벡터와 진동은 서로 수직이며 또한 벡터에 수직입니다 - 파동 전파 속도 (그림 3.7). 즉, 전자파는 횡방향입니다.

진공 상태에서 전자기파는 빠른 속도로 전파됩니다. 유전율이 있는 매체에서 ε 투자율 µ 전자기파의 전파 속도는 다음과 같습니다.

전자기 진동의 주파수와 파장은 원칙적으로 무엇이든 될 수 있습니다. 주파수(또는 파장)에 따른 파동의 분류를 전자파의 척도라고 합니다. 전자파는 여러 유형으로 나뉩니다.

전파파장은 10 3 ~ 10 -4 m입니다.

광파포함:

엑스레이 방사선 - .

광파는 스펙트럼의 적외선, 가시광선 및 자외선 부분을 포함하는 전자기파입니다. 가시 스펙트럼의 기본 색상에 해당하는 진공에서 빛의 파장은 아래 표에 나와 있습니다. 파장은 나노미터로 표시됩니다.

테이블

광파는 전자기파와 같은 성질을 가지고 있습니다.

1. 광파는 가로입니다.

2. 벡터 u는 광파에서 진동합니다.

경험에 따르면 모든 유형의 영향(생리학적, 광화학, 광전 등)은 전기 벡터의 진동으로 인해 발생합니다. 그는 빛 벡터 .

광 벡터 진폭 이자형 m은 종종 문자로 표시됩니다. ㅏ방정식(3.30) 대신 방정식(3.24)이 사용됩니다.

3. 진공에서 빛의 속도.

매질에서 광파의 속도는 공식 (3.29)에 의해 결정됩니다. 그러나 일반적으로 투명 매체(유리, 물)의 경우.

광파의 경우 절대 굴절률이라는 개념이 도입되었습니다.

절대 굴절률주어진 매질에서 빛의 속도에 대한 진공에서의 빛의 속도의 비율

(3.29)에서 투명 미디어에 대해 평등을 쓸 수 있다는 사실을 고려합니다.

진공용 ε = 1 및 N= 1. 모든 물리적 환경의 경우 N> 1. 예를 들어 물의 경우 N= 1.33, 유리의 경우. 굴절률이 더 높은 매질은 광학적으로 밀도가 더 높다고 합니다. 절대 굴절률의 비율은 상대 굴절률:

4. 광파의 주파수가 매우 높습니다. 예를 들어, 파장이 있는 적색광의 경우입니다.

빛이 한 매질에서 다른 매질로 이동할 때 빛의 주파수는 변하지 않지만 속도와 파장은 변합니다.

진공용 - ; 환경을 위해 - , 다음

.

따라서 매질에서 빛의 파장은 진공에서 빛의 파장과 굴절률의 비율과 같습니다.

5. 광파의 주파수가 매우 높기 때문에 , 관찰자의 눈은 개별 진동을 구별하지 않고 평균 에너지 흐름을 인식합니다. 따라서 강도의 개념이 도입됩니다.

강함시간 간격 및 파동 전파 방향에 수직인 사이트 면적에 대한 파동이 운반하는 평균 에너지의 비율입니다.

파동 에너지는 진폭의 제곱에 비례하므로(공식 ​​(3.25) 참조) 강도는 진폭의 제곱의 평균값에 비례합니다.

시각적 감각을 일으키는 능력을 고려한 빛의 강도 특성은 다음과 같습니다. 광속 - F .

6. 빛의 파동성은 간섭이나 회절과 같은 현상으로 나타난다.

J. Maxwell은 1864년에 전자기장 이론을 만들었습니다. 이 이론에 따르면 전기장과 자기장은 전자기장이라는 단일 전체의 상호 관련된 구성 요소로 존재합니다. 교류 자기장이 있는 공간에서는 교류 전기장이 여기되고 그 반대도 마찬가지입니다.

전자기장- 연속적인 상호 변환으로 연결된 전기장과 자기장의 존재를 특징으로 하는 물질 유형 중 하나.

전자기장은 전자기파의 형태로 공간에 전파됩니다. 장력 벡터 변동 이자형및 자기 유도 벡터 비서로 수직인 평면에서 발생하고 파동 전파 방향(속도 벡터)에 수직입니다.

이 파동은 진동하는 하전 입자에 의해 방출되며 동시에 도체에서 가속으로 이동합니다. 전하가 도체에서 이동할 때 교류 전기장이 생성되어 교류 자기장을 생성하고 후자는 차례로 전하로부터 더 먼 거리에 교류 전기장이 나타나도록 합니다.

시간이 지남에 따라 공간에서 전파되는 전자기장을 전자기파.

전자기파는 진공이나 다른 물질에서 전파될 수 있습니다. 전자기파는 진공에서 빛의 속도로 이동 c=3 10 8 m/s. 물질에서 전자기파의 속도는 진공보다 느리다. 전자기파는 에너지를 전달합니다.

전자기파는 다음과 같은 기본 속성을 가지고 있습니다.직선으로 전파되며 굴절, 반사가 가능하며 회절, 간섭, 편광 현상이 있습니다. 이러한 모든 속성은 광파전자기 복사의 규모에서 해당 파장 범위를 차지합니다.

우리는 전자기파의 길이가 매우 다르다는 것을 알고 있습니다. 다양한 방사선의 파장과 주파수를 나타내는 전자기파의 규모를 보면 7가지 범위를 구분합니다. 저주파 방사선, 라디오 방사선, 적외선, 가시광선, 자외선, X선 및 감마선.

• 저주파 . 방사선 소스: 고주파 전류, 교류 발전기, 전기 기계. 그들은 전기 산업에서 영구 자석의 제조인 금속을 녹이고 경화시키는 데 사용됩니다.
• 전파 라디오 및 텔레비전 방송국, 휴대 전화, 레이더 등의 안테나에서 발생합니다. 라디오 통신, 텔레비전 및 레이더에 사용됩니다.
• 적외선 모든 가열된 물체는 방사합니다. 적용 분야: 내화 금속의 용융, 절단, 레이저 용접, 안개와 어둠 속에서 촬영, 목재, 과일 및 열매 건조, 야간 투시경 장치.
• 가시 광선. 소스 - 태양, 전기 및 형광등, 전기 아크, 레이저. 응용 분야: 조명, 광전 효과, 홀로그래피.
• 자외선 . 출처: 태양, 우주, 가스 방전(석영) 램프, 레이저. 병원성 박테리아를 죽일 수 있습니다. 살아있는 유기체를 경화시키는 데 사용됩니다.
• 엑스레이 방사선 .

전자기파의 발견은 실험과 이론의 상호작용을 보여주는 놀라운 예입니다. 그것은 물리학이 전기와 자기와 같이 완전히 다른 것처럼 보이는 속성을 결합하여 동일한 물리적 현상인 전자기 상호 작용의 다른 측면을 드러내는 방법을 보여줍니다. 오늘날 그것은 강하고 약한 핵 상호 작용과 중력을 포함하는 알려진 네 가지 기본적인 물리적 상호 작용 중 하나입니다. 전자기력과 약한 핵력을 통일된 관점에서 설명하는 전자기력 상호작용 이론이 이미 구축되었습니다. 또한 다음 통합 이론인 양자 색역학(quantum chromodynamics)이 있는데, 이는 약한 전기와 강한 상호 작용을 다루지만 정확도는 다소 낮습니다. 설명하다 모두끈 이론 및 양자 중력과 같은 물리학 영역의 틀 내에서 이 방향으로 집중적인 연구가 수행되고 있지만 통일된 위치에서 기본적인 상호 작용은 아직 달성되지 않았습니다.

전자기파는 영국의 위대한 물리학자 제임스 클라크 맥스웰(James Clark Maxwell)에 의해 이론적으로 예측되었습니다(이론에 대한 자세한 설명은 1867년에 나왔지만 아마도 1862년 그의 저서 "On Physical Lines of Force"에서 처음으로). 그는 부지런하고 큰 존경심을 가지고 전기 및 자기 현상과 다른 과학자들의 결과를 설명하는 Michael Faraday의 약간 순진한 그림을 엄격한 수학 언어로 번역하려고 노력했습니다. 모든 전기 및 자기 현상을 같은 방식으로 정렬한 Maxwell은 많은 모순과 대칭의 부족을 발견했습니다. 패러데이의 법칙에 따르면 교류 자기장은 전기장을 생성합니다. 그러나 교류 전기장이 자기장을 생성하는지 여부는 알려지지 않았습니다. Maxwell은 전기장이 변할 때 자기장의 모양을 설명하는 추가 항을 방정식에 추가하여 모순을 제거하고 전기장과 자기장의 대칭을 복원했습니다. 그 당시 Oersted의 실험 덕분에 직류가 도체 주위에 일정한 자기장을 생성한다는 것이 이미 알려졌습니다. 새로운 용어는 자기장의 또 다른 소스를 설명하지만 Maxwell이 호출한 일종의 가상 전류로 생각할 수 있습니다. 바이어스 전류도체 및 전해질의 일반 전류와 구별하기 위해 - 전도 전류. 그 결과, 교류 자기장이 전기장을 생성하고, 교류 전기장이 자기장을 생성한다는 것이 밝혀졌습니다. 그리고 Maxwell은 그러한 조합에서 진동하는 전기장과 자기장이 전기장과 자기장을 생성하는 전도체에서 분리되어 진공을 통해 특정하지만 매우 빠른 속도로 이동할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그는 이 속도를 계산했고 초당 약 30만 킬로미터로 밝혀졌습니다.

결과에 충격을 받은 Maxwell은 William Thomson(특히 절대 온도 척도를 도입한 Kelvin 경)에게 다음과 같이 썼습니다. Fizeau의 광학 실험에서 계산된 정확히 빛의 속도로 빛은 전기 및 자기 현상의 원인인 동일한 매질의 가로 진동으로 구성됩니다.". 그리고 더 나아가 편지에서: “나는 지방에 살면서 내가 발견한 자기 효과의 전파 속도가 빛의 속도에 가깝다는 것을 의심하지 않고 내 방정식을 받았습니다. 그래서 나는 자기를 고려할 충분한 이유가 있다고 생각합니다. 하나의 동일한 매체로서의 발광 매체...."

맥스웰의 방정식은 학교 물리학 수업의 범위를 훨씬 뛰어 넘지만 너무 아름답고 간결하여 물리학 교실에서 눈에 띄는 장소에 배치해야합니다. 왜냐하면 인간에게 중요한 자연 현상은 대부분 단지 이 방정식의 몇 줄. 이것은 이전에 서로 다른 사실이 결합될 때 정보가 압축되는 방식입니다. 다음은 미분 표현에서 Maxwell의 방정식 유형 중 하나입니다. 존경하다.

나는 실망스러운 결과가 Maxwell의 계산에서 얻어졌다는 것을 강조하고 싶습니다. 전기장과 자기장의 진동은 가로 방향입니다(그는 항상 강조했습니다). 그리고 횡진동은 고체에서만 전파되지만 액체와 기체에서는 전파되지 않습니다. 그 때까지 고체의 횡방향 진동 속도(단순히 음속)가 높을수록, 대략적으로 말하자면 매질은 더 단단하고(영률이 클수록 밀도가 낮음) 초당 몇 킬로미터에 도달합니다. 횡방향 전자기파의 속도는 고체의 음속보다 거의 십만 배 더 빨랐습니다. 그리고 강성 특성은 뿌리 아래에 있는 고체의 음속 방정식에 포함된다는 점에 유의해야 합니다. 전자기파(그리고 빛)가 통과하는 매질은 탄성이라는 기괴한 특성을 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 매우 어려운 질문이 생겼습니다. "다른 몸이 어떻게 그런 단단한 매질을 통과하고 느끼지 못합니까?" 가상의 매체는 에테르라고 불리며 동시에 이상하고 일반적으로 말하면 상호 배타적인 속성 - 엄청난 탄력성과 특별한 가벼움에 기인합니다.

Maxwell의 연구는 현대 과학자들에게 충격을 주었습니다. 패러데이 자신은 놀라움으로 이렇게 썼습니다. "처음에는 그런 수학적인 힘이 질문에 적용되는 것을 보고 겁이 났지만, 그 다음에는 질문이 그것을 잘 견디는 것을 보고 놀랐습니다." Maxwell의 견해가 횡파의 전파와 일반적으로 파동에 대해 당시 알려진 모든 생각을 뒤집었다는 사실에도 불구하고, 선견지명이 있는 과학자들은 빛의 속도와 전자기파의 일치가 근본적인 결과라는 것을 이해했습니다. 여기에서 주요 돌파구가 물리학을 기다리고 있습니다.

불행히도 Maxwell은 일찍 사망했고 그의 계산에 대한 신뢰할 수 있는 실험적 확인을 보지 못했습니다. 20년 후(1886~89) 일련의 실험을 통해 전자기파의 생성과 수신을 입증한 하인리히 헤르츠의 실험 결과 국제적 과학적 견해가 바뀌었습니다. Hertz는 조용한 실험실에서 정확한 결과를 얻었을 뿐만 아니라 Maxwell의 견해를 열정적으로 타협하지 않고 옹호했습니다. 또한 전자파의 존재에 대한 실험적 증명에 그치지 않고 전자파의 기본적 성질(거울의 반사, 프리즘의 굴절, 회절, 간섭 등)을 조사하여 빛과 전자파의 완전한 동일성을 보여주었다.

Hertz가 있기 7년 전인 1879년에 영국의 물리학자 David Edward Hughes(Hughes - D. E. Hughes)도 다른 주요 과학자들에게(그들 중에는 뛰어난 물리학자이자 수학자인 Georg-Gabriel Stokes도 있음) 공기 중의 전자파. 토론의 결과 과학자들은 패러데이의 전자기 유도 현상을 본다는 결론에 이르렀습니다. Hughes는 화가 났고 자신을 믿지 않았고 Maxwell-Hertz 이론이 일반적으로 받아들여진 1899년에만 결과를 발표했습니다. 이 예는 과학에서 얻은 결과의 지속적인 보급과 선전이 종종 과학적 결과 자체보다 덜 중요하지 않다는 것을 보여줍니다.

하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)는 자신의 실험 결과를 다음과 같이 요약했습니다. "최소한 내가 보기에 설명된 실험은 빛, 열복사 및 전기역학적 파동 운동의 정체에 대한 의심을 없애줍니다."

1장

전자기파의 주요 매개변수

전자파가 무엇인지, 다음과 같은 예를 상상하기 쉽습니다. 물 표면에 자갈을 던지면 표면에 원으로 분기하는 파도가 형성됩니다. 그들은 특정 전파 속도로 발생 (섭동)의 근원에서 움직입니다. 전자기파의 경우 교란은 공간에서 움직이는 전기장과 자기장입니다. 시간에 따라 변하는 전자기장은 필연적으로 교류 자기장을 유발하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이러한 필드는 서로 연결되어 있습니다.

전자기파 스펙트럼의 주요 소스는 태양별입니다. 전자기파 스펙트럼의 일부는 인간의 눈을 봅니다. 이 스펙트럼은 380...780 nm 내에 있습니다(그림 1.1). 가시 스펙트럼에서 눈은 빛을 다르게 인식합니다. 다른 파장의 전자기 진동은 다른 색상의 빛의 감각을 유발합니다.

전자파 스펙트럼의 일부는 라디오 및 텔레비전 방송 및 통신 목적으로 사용됩니다. 전자파의 근원은 전하가 변동하는 전선(안테나)입니다. 와이어 근처에서 시작된 들판의 형성 과정은 점차적으로 전체 공간을 포착합니다. 도선을 통과하여 전기장 또는 자기장을 생성하는 교류의 주파수가 높을수록 도선에 의해 생성되는 주어진 길이의 전파가 더 강해집니다.

전자파는 다음과 같은 주요 특성을 가지고 있습니다.

1. 파장 lv, - 고조파 전자기파의 위상이 360 ° 변하는 공간의 두 지점 사이의 최단 거리. 위상은 주기적인 과정의 상태(단계)이다(그림 1.2).

지상파 텔레비전 방송에서는 미터(MB)와 데시미터파(UHF)가 위성에서 사용되며 센티미터파(CM)가 사용됩니다. CM의 주파수 범위가 채워짐에 따라 밀리미터파(Ka-band) 범위가 마스터됩니다.

2. 파동주기 티-전계 강도의 완전한 변화가 발생하는 시간, 즉 고정된 위상을 갖는 전파의 지점이 파장 lb와 동일한 경로를 이동하는 시간.

3. 전자기장의 진동 주파수 에프(초당 필드 진동 수)는 공식에 의해 결정됩니다.

주파수 단위는 헤르츠(Hz) - 초당 하나의 진동이 발생하는 주파수입니다. 위성 방송에서는 기가헤르츠로 측정되는 매우 높은 전자기 진동 주파수를 처리해야 합니다.

Space-Earth 라인을 따라 위성 직접 텔레비전 방송(SNTV)을 위해 C-대역 낮은 범위와 Ku 범위(10.7 ... 12.75 GGi)의 일부가 사용됩니다. 이 범위의 위쪽 부분은 지구-우주선을 통해 정보를 전송하는 데 사용됩니다(표 1.1).

4. 파동 전파 속도에서 - 에너지원(안테나)에서 오는 파동의 연속 전파 속도.

자유 공간(진공)에서 전파의 전파 속도는 일정하고 빛의 속도 C= 300,000km/s와 같습니다. 이러한 빠른 속도에도 불구하고 전자파는 0.24초에 지구-우주-지구 선을 따라 이동합니다. 지상에서 라디오와 텔레비전 전송은 거의 모든 지점에서 즉각적으로 수신될 수 있습니다. 예를 들어 공기와 같은 실제 공간에서 전파할 때 전파의 속도는 매질의 특성에 따라 달라지며 일반적으로 더 적습니다. 에서매질의 굴절률 값.

전자기파의 주파수 F, 전파 속도 C 및 파장 l은 관계

lv=C/F, 이후 F=1/T , lv=C*T.

속도 С= 300,000km/s의 값을 마지막 공식에 대입하면 다음을 얻습니다.

lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)

고주파의 경우 전자기 진동의 파장은 공식 lv(m) = 300/F(MHz)로 결정할 수 있습니다. 전자기 진동의 파장을 알면 주파수는 공식 F(MHz) = 300/lv (중)

5. 전파의 편파.전자기장의 전기 및 자기 성분은 각각 벡터로 특성화됩니다. 전자와 H이것은 필드 강도와 방향의 값을 보여줍니다. 극성은 전기장 벡터의 방향입니다. 이자형지표면에 대한 파동(그림 1.2).

전파의 편파 유형은 지표면에 대한 송신 안테나의 방향(위치)에 의해 결정됩니다. 지상파 및 위성 텔레비전 모두 선형 편파, 즉 수평 편파를 사용합니다. 시간및 수직 V(그림 1.3).

수평 전기장 벡터가 있는 전파를 수평 편파라고 하고 수직-수직 편파를 사용합니다. 마지막 파동의 편광면은 수직이고 벡터는 시간(그림 1.2 참조)는 수평면에 있습니다.

송신 안테나가 지면 위에 수평으로 장착되면 전기력선도 수평이 됩니다. 이 경우 필드는 수평에서 가장 큰 기전력(EMF)을 유도합니다.

그림 1.4. 전파의 원형 편파:

LZ-왼쪽; RZ-오른쪽

우산 장착 수신 안테나. 따라서 언제 시간전파의 편파, 수신 안테나는 수평 방향이어야 합니다. 이 경우 안테나에서 유도된 EMF가 0이기 때문에 이론적으로 수직으로 위치한 안테나에서는 전파가 수신되지 않습니다. 반대로, 송신 안테나의 수직 위치에서 수신 안테나도 수직으로 배치해야 가장 높은 EMF를 얻을 수 있습니다.

인공 지구 위성(AES)의 텔레비전 방송에서는 선형 편파 외에도 원형 편파가 널리 사용됩니다. 이것은 궤도에 직접 (직접) 텔레비전 방송을위한 통신 위성과 위성이 많기 때문에 이상하게도 공기가 빡빡하기 때문입니다.

종종 위성 매개 변수 표에서 원형 편파 유형에 대한 약어를 제공합니다. L과 R.전파의 원형 편파는 예를 들어 송신 안테나의 피드에 원추형 나선을 생성합니다. 나선의 감는 방향에 따라 원형 편파가 왼쪽 또는 오른쪽입니다(그림 1.4).

따라서, 지상파 위성 텔레비전 안테나의 방사체에는 송신 위성 안테나에서 방출되는 전파의 원형 편파에 반응하는 편광판을 설치해야 한다.

위성에서 전송되는 동안 고주파 진동의 변조 및 스펙트럼 문제를 고려해 보겠습니다. 지상파 방송 시스템과 비교하여 수행하는 것이 좋습니다.

이미지와 오디오 캐리어 주파수 사이의 간격은 6.5MHz이고 나머지 하단 측파대(이미지 캐리어 왼쪽)는 1.25MHz이며 오디오 채널 너비는 0.5MHz입니다.

(그림 1.5). 이를 염두에 두고 텔레비전 채널의 총 너비는 8.0MHz로 가정합니다(CIS 국가에서 채택된 D 및 K 표준에 따름).

송신 텔레비전 방송국에는 두 개의 송신기가 있습니다. 그들 중 하나는 전기 이미지 신호를 전송하고 다른 하나는 각각 다른 반송 주파수에서 소리를 전송합니다. 저주파 발진의 영향으로 반송파 고주파 발진(전력, 주파수, 위상 등)의 일부 매개변수가 변경되는 것을 변조라고 합니다. 진폭(AM)과 주파수(FM)의 두 가지 주요 변조 유형이 사용됩니다. 텔레비전에서 영상 신호는 AM에서, 소리는 FM에서 전송됩니다. 변조 후 전기 진동은 전력으로 증폭된 다음 송신 안테나로 들어가 전파의 형태로 공간(에테르)으로 방사됩니다.

8 지상파 텔레비전 방송에서는 여러 가지 이유로 FM을 사용하여 이미지 신호를 전송하는 것이 불가능합니다. SM에는 더 많은 곳이 방송되고 있고 그러한 기회가 존재합니다. 결과적으로 위성 채널(트랜스폰더)은 27MHz의 주파수 대역을 차지합니다.

부반송파 신호의 주파수 변조의 장점:

AM에 비해 간섭 및 노이즈에 대한 민감도가 낮고 신호 전송 채널의 동적 특성의 비선형성에 대한 민감도가 낮고 장거리 전송의 안정성이 있습니다. 이러한 특성은 전송 채널의 신호 레벨의 불변성, 신호 대 잡음비에 유리하게 영향을 미치는 전치 왜곡의 주파수 수정 가능성으로 설명되며, 이로 인해 FM은 정보를 전송할 때 송신기 전력을 크게 줄일 수 있습니다. 같은 거리. 예를 들어 지상파 방송 시스템은 오디오 신호를 전송하는 것보다 동일한 텔레비전 방송국에서 이미지 신호를 전송하는 데 5배 더 강력한 송신기를 사용합니다.