Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"

Электромагнитные волны

Электромагни'тные во'лны, электромагнитные колебания , распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света с во все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения Э. в. в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой Э. в. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах Г. Герца , что сыграло решающую роль для её утверждения.

  Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радиоволн , света, рентгеновских лучей и гамма-излучения . Оказалось, что это не излучения различной природы, а Э. в. с различной длиной волны. Частота w колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны l соотношением: l= 2pс /w. Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излучение находят своё место в единой шкале Э. в. (рис. ), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резкой границы.

  Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями . Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды е и токи I, то изменение их со временем t приводит к излучению Э. в. На скорость распространения Э. в. существенно влияет среда, в которой они распространяются. Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E (t ) и H (t ), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. Поляризация волн ) и другие особенности Э. в. задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой – свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла, приводят к волновым уравнениям:

  ; ,

  описывающим распространение плоских монохроматических Э. в.:

  Е = E _{cos (kr – wt + j)}

  Н = H _{cos (kr – wt + j).}

  Здесь e – диэлектрическая проницаемость , mÑ – магнитная проницаемость среды, E _{и H0 — амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w — частота этих колебаний, j – произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор, r – радиус-вектор точки; Ѳ – Лапласа оператор .}

  Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические либо магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Э. в. могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. Радиоволновод , Световод , Квазиоптика ).

  Характер изменения во времени Е и Н определяется законом изменения тока I и зарядов e , возбуждающих Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует I (t ) или e (t ). Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и Э. в. распространяются в линейной среде (электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н ). Простейший случай – возбуждение и распространение Э. в. в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной l << l, по которому протекает ток I = I _{sin wt ). На расстоянии от диполя много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические Э. в. Они поперечные и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации (см. Излучение и приём радиоволн ).}

  В изотропном пространстве скорость распространения гармонических Э. в., т. e. фазовая скорость . При наличии дисперсии скорость переноса энергии с (групповая скорость ) может отличаться от v. Плотность потока энергии S, переносимой Э. в., определяется Пойнтинга вектором : S = (с/4p) [ЕН ]. Т. к. в изотропной среде векторы Е и Н и волновой вектор образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения Э. в. В анизотропной среде (в том числе вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения Э. в.

  Появление квантовых генераторов, в частности лазеров , позволило достичь напряжённости электрического поля в Э. в., сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При распространении Э. в. в нелинейной среде (e и m зависят от Е и Н ) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э. в. они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна , характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная Э. в. далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено главным образом затуханием. Большинство нелинейных сред, в которых Э. в. распространяются без сильного поглощения, обладает значительной дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких см до длинных волн . При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии (см. Нелинейная оптика , Параметрические генераторы света ).

  Э. в. различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения Э. в. от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики . На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.

  Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в само представление об Э. в. Во многих случаях электромагнитное излучение ведёт себя не как набор монохроматических Э. в. с частотой w и волновым вектором k, а как поток квазичастиц – фотонов с энергией  и импульсом   ( – Планка постоянная ). Волновые свойства проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные – в фотоэффекте и Комптона эффекте .

  Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976.

  В. В. Мигулин.

Шкала электромагнитных волн.

Электромагнитные колебания

Электромагни'тные колеба'ния, взаимосвязанные колебания электрического (Е ) и магнитного (Н ) полей, составляющих единое электромагнитное поле . Распространение Э. к. происходит в виде электромагнитных волн , скорость которых в вакууме равна скорости света с, а длина волны l связана с периодом Т и частотой w соотношением: l = cT = 2 pс/ w. По своей природе Э. к. представляют собой совокупность фотонов, и только при большом числе фотонов их можно рассматривать как непрерывный процесс.

  Различают вынужденные Э. к., поддерживаемые внешними источниками, и собственные Э. к., существующие и без них. В неограниченном пространстве или в системах с потерями энергии (диссипативных) возможны собственные Э. к. с непрерывным спектром частот. Пространственно ограниченные консервативные (без потерь энергии) системы имеют дискретный спектр собственных частот, причём каждой частоте соответствует одно или несколько независимых колебаний (мод ). Например , между двумя отражающими плоскостями, отстоящими друг от друга на расстояние l, возможны только синусоидальные Э. к. с частотами w_n = п pс/l, где п — целое число. Собственно моды имеют вид синусоидальных стоячих волн , в которых колебания векторов Е и Н сдвинуты во времени на T /4, а пространственные распределения их амплитуд смещены на l/4, так что максимумы (пучности) Е совпадают с нулями (узлами) Н и наоборот. В таких Э. к. энергия в среднем не переносится в пространстве, но внутри каждого четвертьволнового участка между узлами полей происходит независимая периодическая перекачка электрической энергии в магнитную и обратно.

  Представление Э. к. в виде суперпозиции мод с дискретным или непрерывным спектром допустимо для любой сложной системы проводников и диэлектриков (см. Радиоволновод , Объёмный резонатор , Открытый резонатор ), если поля, токи, заряды в них связаны между собой линейными соотношениями. В квазистационарных системах, размеры которых значительно меньше длины волны, области, где преобладают электрические или магнитные поля, могут быть пространственно разделены и сосредоточены в отдельных элементах: Е — в ёмкостях С, Н — в индуктивностях L. Типичный пример такой системы с сосредоточенными параметрами – колебательный контур , где происходят колебания зарядов на обкладках конденсаторов и токов в катушках самоиндукции. Э. к. в системах с распределёнными параметрами L и С, имеющие дискретный спектр собственных частот, могут быть представлены как Э. к. в связанных колебательных контурах (электромагнитных осцилляторах), число которых равно числу мод.

  В средах Э. к. взаимодействуют со свободными и связанными заряженными частицами (электронами, ионами), создавая индуцированные токи. Токи проводимости обусловливают потери энергии и затухание Э. к.; токи, обусловленные поляризацией и намагниченностью среды, определяют значения её диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости , а также скорость распространения в ней электромагнитных волн и спектр собственных частот Э. к. Если индуцированные токи зависят от Е и Н нелинейно, то период, форма и другие характеристики Э. к. зависят от их амплитуд (см. Нелинейные колебания ); при этом принцип суперпозиции недействителен, и может происходить перекачка энергии Э. к. от одних частот к другим. На этом основаны принципы работы большинства генераторов, усилителей и преобразователей частоты Э. к. (см. Генерирование электрических колебаний , Автоколебания ). Возбуждение Э. к. в устройствах с сосредоточенными параметрами, как правило, осуществляется путем прямого подключения к ним генераторов, в высокочастотных устройствах с распределёнными параметрами – путём возбуждения Э. к. при помощи различных элементов связи (вибраторов, петель связи, рамок, отверстий и др.), в оптических устройствах – с применением линз, призм, отражающих полупрозрачных зеркал и т. д.

  Лит.: Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Андронов А. А, Витт А. А., Хайкин С. Э., Теория колебаний, 2 изд., М., 1959; Парселл Э., Электричество и магнетизм, пер. с англ., 2 изд., М., 1975 (Берклеевский курс физики, т. 2); Крауфорд Ф., Волны, пер. с англ., 2 изд., М., 1976 (Берклеевский курс физики, т. 3).

  М. А. Миллер, Л. А. Островский.

Электромагнитный выключатель

Электромагни'тный выключа'тель,выключатель электрический , служащий для отключения высоковольтных цепей под нагрузкой в нормальных и вынужденных режимах работы; принципиально отличается от выключателей других систем тем, что гашение электрической дуги, возникающей между расходящимися в процессе отключения цепи контактами выключателя, осуществляется непосредственно в воздушной среде т. н. электромагнитным дутьём в дугогасительном устройстве . Дуга затягивается в камеру дугогасительного устройства мощным магнитным полем, создаваемым электромагнитами, в обмотках которых протекает отключаемый ток. Обмотки электромагнитов имеют такую полярность, при которой создаваемое магнитное поле затягивает дугу в дугогасительную камеру (камеры), где дуга растягивается и охлаждается, её сопротивление резко увеличивается и она гаснет. Дугогасительные камеры выполняются из жаростойких материалов, обладающих высокой диэлектрической прочностью, теплопроводностью и теплоёмкостью. В Э. в. переменного тока для повышения надёжности работы обычно предусматривается воздушный поддув, который ускоряет перемещение дуги в камеру. Э. в. применяют обычно в сетях на напряжение 6—10 кв.

  Лит.: Вабиков М. А., Электрические аппараты, ч. 3, М. – Л., 1963; Бронштейн А. М., Курицын В. П., Улиссова И. Н., Электромагнитные выключатели и опыт их эксплуатации, «Электричество», 1971, № 4; Быков Е. И., Колузаев А. М., Электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10, М., 1973.

  Р. Р. Мамошин.

Электромагнитный насос

Электромагни'тный насо'с,

  1) насос поршневого типа или диафрагмовый насос, у которого поступательно-возвратное движение рабочего органа осуществляется стальным сердечником, вставленным в соленоид, подключенный к источнику электроэнергии.

  2) То же, что магнитогидродинамический насос .

Электромагнитный прибор

Электромагни'тный прибо'р, измерительный прибор , принцип действия которого основан на взаимодействии магнитного поля, пропорционального измеряемой величине, с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала. Основные элементы Э. п.: измерительная схема, преобразующая измеряемую величину в постоянный или переменный ток, и измерит, механизм электромагнитной системы (рис. ). Электрический ток в катушке электромагнитной системы создаёт электромагнитное поле, втягивающее сердечник в катушку, что приводит к возникновению на оси вращающего момента, пропорционального квадрату силы тока, протекающего по катушке. В результате действия на ось пружины создаётся момент, противодействующий вращающему моменту и пропорциональный углу поворота оси. При взаимодействии моментов ось и связанная с ней стрелка поворачиваются на угол, пропорциональный квадрату измеряемой величины. При равенстве моментов стрелка останавливается. Выпускаются электромагнитные амперметры и вольтметры для измерений главным образом в цепях переменного тока частотой 50 гц. В электромагнитном амперметре катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока, в вольтметре параллельно. Электромагнитные измерит, механизмы применяют также в логометрах . Наиболее распространены щитовые приборы классов точности 1,5 и 2,5, хотя существуют приборы классов 0,5 и даже 0,1 с рабочей частотой до 800 гц.

  Лит.: Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Электрические измерения, под ред. А. В. Фремке, 14 изд., Л., 1973.

  Н. Н. Вострокнутов.

Электромагнитный измерительный прибор: 1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – ось; 4 – стрелка; 5 – шкала; 6 – пружина.

Электромагнитный ракетный двигатель

Электромагни'тный раке'тный дви'гатель, см. Электрический ракетный двигатель .

Электромашинный динамометр

Электромаши'нный динамо'метр, устройство для измерения вращающих моментов электродвигателей. Э. д. используют при стендовых испытаниях двигателей для снятия механических или электромеханических характеристик. Э. д. представляет собой электрическую машину , работающую в генераторном режиме и механически связанную с испытуемым двигателем. Наиболее часто в качестве Э. д. используют генератор постоянного тока. Момент, развиваемый электродвигателем, находят по формуле:

 н ×м

где U — напряжение на зажимах генератора в в; I — ток в обмотке возбуждения в а ; n – частота вращения в об/мин; h – кпд генератора. Изменение момента достигается регулированием нагрузочного сопротивления и тока в обмотке возбуждения генератора. Э. д. применяют при испытании мощных тяговых машин. Моменты электродвигателей малой мощности иногда определяют на более простом Э. д., представляющем собой диск из ферромагнитного материала, который насаживают на вал электродвигателя, и электромагнит постоянного тока с противовесом. При вращении диска создаётся тормозной момент в результате взаимодействия вихревых токов в диске с магнитным полем электромагнита. Угол поворота электромагнита с противовесом пропорционален измеряемому моменту.

  М. И. Озеров.

Электромашинный усилитель

Электромаши'нный усили'тель (ЭМУ), электрическая машина , предназначенная для усиления мощности подаваемого на обмотку возбуждения сигнала за счёт энергии первичного двигателя (обычно электрического). ЭМУ применяют в системах автоматического управления и регулирования; выпускаются на мощности от долей вт до десятков квт с коэффициентом усиления (отношение мощности на выходе к мощности на входе) 10⁴ —10⁵ Небольшое изменение мощности, подводимой в цепь возбуждения, вызывает во много раз большее изменение мощности, отдаваемой ЭМУ. Различают ЭМУ продольного поля (с одной ступенью усиления) и ЭМУ поперечного поля (с двумя ступенями). Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля (рис. ). Такой ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока, обычно двухполюсный с двумя парами щёток на коллекторе. На полюсах статора расположены одна или несколько обмоток возбуждения, чаще называемые обмотками управления (ОУ). При подаче в ОУ сигнала, подлежащего усилению, она создаёт магнитный поток Ф₁ , направленный вдоль оси d—d. В обмотке якоря наводится эдс, которая достигает наибольшего значения на щётках а—а и равна нулю на щётках b—b. Т. к. якорь замкнут накоротко щётками а—а, то даже при незначительной эдс в цепи (обмотке) якоря возникает достаточно большой ток I_a , обусловливающий увеличение мощности сигнала (первая ступень усиления). Этот ток создаёт сильное поперечное магнитное поле (магнитный поток Ф_аq ). При вращении якоря в поперечном поле на щётках b—b, связанных с внешней цепью, появляется напряжение U₂. В результате этого во внешней цепи возникает большой ток I₂ , обусловливающий большую выходную мощность (вторая ступень усиления). Дополнительная обмотка, называется компенсационной, создаёт намагничивающую силу F_ko, равную F_ad , устраняя искажение сигнала.

  Лит.: Горяинов Ф. А., Электромашинные усилители, М. – Л., 1962,

  М. Д. Находкин.

Принципиальная схема включения электромашинного усилителя поперечного поля: 1 и 2 – щётки якоря; ОУ – обмотка управления; КО – компенсационная обмотка; Ф1 – магнитный поток по оси d – d; Фаq – магнитный поток поперечного поля; U1 и I1 – напряжение и ток в обмотке управления; U2 и I2 – напряжение и ток на выходе; Fad и Fko – намагничивающие силы якоря и компенсационной обмотки

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"