Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости. Электромагнитная проницаемость

Диэлектрическая проницаемость и проводимость среды

Диэлектрическая проницаемость и проводимость среды, комплексная диэлектрическая проницаемость, электромагнитные свойства сред: диэлектрики и проводники

Уравнения Максвелла в среде, где отсутствуют внешние заряды и токи имеют вид

rot =  , div =0;

rot = , div =0.

Векторы индукции электрического и магнитногополей в изотропной среде связаны с их напряженностями соотношениями

, .

В однородной среде относительные диэлектрическая проницаемость и магнитнаяне зависят от координат. При распространении электромагнитного поля в веществе необходимо учитывать, что среда распространения волн состоит из микрочастиц: молекул, атомов, ионов и свободных электронов, которые могут являться носителями зарядов и токов. Таким образом, возникает задача о самосогласованном взаимодействии электромагнитного поля и заряженных частиц среды. При этом необходимо учитывать, что макроскопическое электрическое поле является усредненным по масштабамL, много большим, чем размеры атомов a, т.е. a << V1/3, где V  объем макроскопической области, занимаемой электромагнитным полем.

Подставляя выражения для векторов ив уравнения Максвелла, получим, что фазовая скорость электромагнитной волны в среде равна

.

Частота и волновое число связаны соотношением , поэтому длина волны в среде отличается от длины волны в вакууме

,

где величина называется показателем преломления среды. Для прозрачных сред, в которых отсутствует поглощение электромагнитных волн,иявляются действительными величинами, следовательно и показатель преломления тоже действителен.

При наличии в среде свободных заряженных частиц плотность тока связана с напряженностью электрического поля законом Ома

,

где  – проводимость среды, измеряемая в системе СИ в единице сименс (См).

Из уравнения Максвелла следует

rot,

где называется комплексной диэлектрической проницаемостью.Действительная часть определяет электрические свойства диэлектриков, т.е. их поляризацию во внешнем электрическом поле, а мнимая часть пропорциональна проводимости и обратно пропорциональна частоте , она характеризует вещество, как проводник электрического тока. При выполнении неравенства <</0 вещество считается диэлектриком, при выполнении обратного условия >>/0 – проводником.

studfiles.net

Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 28Следующая ⇒

Особенностями использования материалов в электроэнергетике является то, что они эксплуатируются в условиях воздействия электрических полей, и в несколько меньшей степени, в условиях воздействия магнитных полей. Основными процессами, происходящими под действием этих полей являются поляризация вещества, электропроводность, намагничивание вещества. В предыдущей лекции рассматривалась электропроводность. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

Диэлектрическая проницаемость и электрические поля в диэлектриках.

Магнитная проницаемость и магнитные поля.

Прежде чем приступить к лекции хотелось бы напомнить термины и определения.

Электрическое поле - это вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному заряду.Численно оно равно силе, действующей на единичный заряд (заряд в один кулон). Размерность напряженности поля в системе единиц СИ - В/м. С напряжением между точками a и b оно связано следующим выражением:

(3.1),

а с потенциалом j: E = -grad j. (3.2)

В однородном поле, в межэлектродном зазоре d, эти выражения упрощаются

U = E·d, или E = U/d (3.3)

Диэлектрическая проницаемость материалов.

В начало лекции

Определение этой величины вы должны помнить еще из школы. Давайте вспомним. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю):

(3.4)

где e0 - диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость вакуума, e0 = 8.85 10-12 Ф/м, S-площадь каждой из пластин, d - зазор между пластинами, U - напряжение между ними. Разделив на площадь и перейдя к плотности заряда на обкладке получим s = e0E.

Если в межэлектродное пространство ввести диэлектрик, то что произойдет? Все зависит от того, подключен заряженный конденсатор к источнику или отключен. В подключенном конденсаторе напряжение между пластинами принудительно поддерживается, но заряд на каждой пластине увеличивается до нового значения Qm.

Отношение Qm/Q0 = e называется диэлектрической проницаемостью материала.

Из самого определения видно, что диэлектрическая проницаемость материала является безразмернойвеличиной. Перейдя к плотности заряда на обкладке в случае диэлектрика получим s = e0eE.

Откуда притекает дополнительный заряд? Ясно, что заряд притекает из источника.

В отключенном от источника заряженном конденсаторе ситуация несколько отличается. Заряд не может измениться, т.к. ему некуда утекать и неоткуда притекать. В этом случае изменится другой параметр. Оказывается уменьшаются напряжение на конденсаторе и, соответственно, напряженность поля в конденсаторе.

Коэффициент ослабления поля тот же самый, как и в случае увеличения заряда при подключенном источнике, т.е. он равен e.Это второе определение диэлектрической проницаемости.

За счет чего это происходит? Рассмотрим этот вопрос подробнее. Здесь придется обратиться к понятиюполяризации. Как известно, молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия, или молекула бензола. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядом. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула называетсяполярной или дипольной.

Дипольный момент молекулы является вектором, направленным от отрицательного к положительному заряду. Численно он равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда.

В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение электронных оболочек. Возникает индуцированный дипольный момент у молекулы, молекула поляризуется.

Поляризация за счет смещения электронов называется электронной. Возникающий дипольный момент невелик. Диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей и твердых диэлектриков также невелика, она не превышает 3.

Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул называются неполярными диэлектриками.

В полярной молекуле под действием поля происходит поворот диполя в направлении напряженности электрического поля. В этом случае, в зависимости от значения дипольного момента молекулы и концентрации молекул поляризация может быть значительной. Для жидкостей и твердых диэлектриков с дипольной поляризацией диэлектрическая проницаемость достигает примерно 100 и даже больше.

Диэлектрики, состоящие из полярных молекул называются полярными диэлектриками.

В некоторых твердых диэлектриках может существовать особый вид поляризации: спонтанная, или доменная поляризация. Она существует только в кристаллах, но далеко не во всех, в аморфных телах ее не бывает. Оказывается иногда в среде возникают самопроизвольно микроскопические области с поляризацией, которая получается при смещении положительно заряженных ионов решетки в одну сторону, а отрицательно заряженных ионов в другую сторону.

Микрообласть со спонтанной поляризацией называется доменом. Обычно размер доменов составляет микроны и десятки микрон. Суммарный дипольный момент любого образца равен нулю, т.к. дипольные моменты доменов направлены в разные стороны.

Если дипольные моменты доменов хаотически направлены в разные стороны, то такой диэлектрик называется сегнетоэлектриком.

Если домены существуют парами, причем у каждой пары дипольные моменты направлены в противоположные стороны, такой диэлектрик называется антисегнетоэлектриком. Под действием электрического поля домены в диэлектрике поворачиваются в направлении электрического поля, как гигантские диполи. Только в отличии от диполей, где молекулы физически поворачиваются, в доменах перестраивается структура, так, что результирующий вектор поляризации каждого домена чуть-чуть смещается в направлении поля.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриковвелика, она может достигать десятков тысяч.

Суммарный дипольный момент единицы объема называется поляризацией .Вектор поляризации, появляющейся под действием электрического поля, направлен вдоль направления электрического поля. Его значение связано с напряженностью поля P = e0cE, где c- диэлектрическая восприимчивость. Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью e = 1+c.

В газообразном диэлектрике количество дипольных моментов мало вследствие низкой плотности газа, поэтому диэлектрическая проницаемость мало отличается от единицы, даже для полярных газов (Отличие в третьем, четвертом знаке после запятой).

Именно поляризация и вызывает увеличение плотности заряда на обкладках конденсатора при подключенном источнике. Значение плотности заряда на обкладках конденсатора s = P+e0E. Естественно, что в случае вакуума поляризация равна нулю, диэлектрическая проницаемость в точности равна единице.

В электродинамике вводят понятиевектора электрического смещения

= e0eE (3.5.)

который определяет заряд как в случае вакуума, так и в случае диэлектрика. Другие названия этого термина - электрическая индукция или электростатическая индукция. Размерность индукции Кл/м2. Кроме приведённых выражений полезно будет также вспомнить соотношения для электрического смещенияD:

= s = e0eE, (3.6.)

Энергия электрического поля в среде связана с диэлектрической проницаемостью

W = e0×e×E2/2 или W = DE/2, или W = D2/2e.

Для устройств, содержащих в себе электрические поля важно понимать как изменяется напряженность электрического поля при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Если расположить диэлектрики так, что электрическое поле перпендикулярно поверхности раздела, то значения напряжённости поля в каждом материале обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

=

(3.7)

Рассмотрим простую задачку. В плоский конденсатор с зазором d и напряжением U вводят пластину диэлектрика, которая имеет толщину d1, диэлектрическую проницаемость e. Как изменится поле в оставшейся части зазора и какое поле будет в диэлектрике?

Несложно решить эту задачу воспользовавшись выражениями (3.3) и (3.7), которые для нашего случая можно переписать как

Ев(d-d1) + Eдd1= U (3.8)

Евeв= Eдeд

Решив систему уравнений получим:

(3.9)

Анализируя эти выражения можно увидеть, что поле в газовой прослойке всегда увеличено, а в диэлектрической - уменьшено. Емкость конденсатора в этом случае увеличена, но незначительно по сравнению с емкостью конденсатора без диэлектрика.

В случае, когда электрическое поле параллельно поверхности раздела, напряженности поля в материалах одинаковы. Этот случай можно реализовать, вводя в конденсатор диэлектрик, толщины, равной величине межэлектродного зазора в конденсаторе. Емкость, при этом, увеличивается существенно, пропорционально объемной доле диэлектрика .

Для понимания процессов в диэлектриках важно знать значения полей в случае различных электродов. Наиболее часто используются модельные представления электродных систем, к которым с той или иной степенью приближения можно свести многие реальные системы электродов. Это три типа полей:

- плоско- параллельное,

- радиально-цилиндрическое, или аксиальное

- радиально-сферическое.

Ниже приводятся описание этих полей и необходимые для расчета формулы.

Плоско-параллельное поле. Здесь эквипотенциальные поверхности (поверхности уровня) представляют собой параллельные плоскости, а линии индукции, совпадающие с направлением вектора напряженности поля (которая во всех точках поля одинакова), - перпендикулярны этим плоскостям.

Значение ёмкости:

(3.10)

В плоско-параллельном поле напряженность Е одинакова во всех точках. Поэтому:

(3.11)

 

Радиально-цилиндрическое поле. Эквипотенциальными в этом поле являются коаксиальные (имеющие общую ось) цилиндрические поверхности, а линии поля располагаются в радиальном направлении. Распределение напряженности электрического поля:

Е( r ) =

Значение емкости:

(3.12)

r1 - радиус внутреннего цилиндра, r2 - радиус внешнего цилиндра

Радиально-сферическое поле. В этом поле поверхности уровня - это сферы с общим центром, а линии индукции направлены по радиусам.

Распределение напряженности электрического поля:

Е( r )=

 

Значение емкости:

(3.13)

Причем емкость шара по отношению к сфере бесконечного радиуса

(3.14)

Ёмкость полушария в два раза меньше емкости шара.

Магнитная проницаемость.

В начало лекции

Аналогично рассмотрению диэлектрической проницаемости, связывающей электрическую индукцию с напряженностью электрического поля, магнитная проницаемость связывает магнитную индукцию B с напряженностью магнитного поля H.

B=m0×m×H (3.15)

Здесь m0- магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума. m0 = 4p×10-7 Гн/м. Можно ввести понятие намагниченности m0M = B - m0H. Этот фактор вносит в магнитную индукцию именно среда, т.е. намагниченность является характеристикой среды. Аналогично поляризации среды в электрическом поле намагниченность складывается из намагниченностей отдельных атомов, которые называются магнитными моментами атомов M = Smi. Намагниченность обычно пропорциональна напряженности магнитного поля

M = cм ×Н (3.16)

где cм - магнитная восприимчивость вещества. Значения m и cм связаны m = cм+1

Энергия магнитного поля W = B×H/2 = m0×m×h3/2 = B2/2m0×m

Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Электрическое поле создается зарядами, магнитное - токами. Силовые линии электрического поля начинаются на положительном заряде и, обязательно, заканчиваются на отрицательном заряде. Силовые линии магнитного поля замкнуты, они окружают линии тока. В электрическом поле заряд порождает индукцию поля.

D = q/4pe0×e×r2 (3.17)

В магнитном поле ток порождает напряженность магнитного поля (закон Био-Савара).

H = I/2pr. (3.18)

Приведем еще выражение для напряженности поля и индукции в длинном соленоиде, которое специфично именно для магнитного поля.

H = n×I, B = m0×m×n×I (3.19)

где n- число витков катушки на единицу длины.

В электрическом поле сила, действующая на заряд, пропорциональна напряженности поля (закон Кулона). В магнитном поле, сила действующая на заряд пропорциональна индукции. Еще одно принципиальное отличие состоит в том, что диэлектрическая проницаемость не может быть меньше 1, тогда как магнитная проницаемость может быть меньше 1 в некоторых материалах..

Различные материалы по разному ведут себя в магнитном поле и, соответственно имеют различную магнитную проницаемость.

Диамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1.

Подавляющее большинство веществ являются диамагнетиками. Диамагнетизм проявляется тогда, когда атомы и молекулы не имеют магнитного момента в отсутствии магнитного поля, а намагниченность создается только за счет действия магнитного поля на электроны молекул. При этом магнитная восприимчивость cм< 0. По порядку величины значение восприимчивости составляет (-10-6). Парамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1.

Эти вещества содержат атомы и электроны, имеющие собственный магнитный момент, который связан с орбитальным движением электронов или с собственным моментом импульса электрона, т.н. спином. Парамагнетиками являются кислород, магний, натрий (NaCl - диамагнетик), кальций, титан, палладий. Ферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

Это железо, никель, кобальт и ряд более редких веществ. На основе этих элементов изготавливаются магнитные материалы. Ферримагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю. Антиферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга.

Примеры ферримагнетиков и антиферромагнетиков - ферриты, соединения типа Fe2O3 c MeO, где Ме - двухвалентный металл.

Читайте также:

lektsia.com

3.2. Комплексная диэлектрическая проницаемость

Для вывода формулы, описывающей комплексную диэлектрическую проницаемость, воспользуемся материальным уравнением для электрического поля и перепишем первое уравнение системы (3.6) в следующем виде:

(3.7)

где	– комплексная диэлектрическая проницаемость:

(3.8)

Действительная часть комплексной характеристики поля или среды в электродинамике обычно обозначается штрихом вверху, а мнимая – двумя штрихами:

(3.9)

Введение комплексной диэлектрической проницаемости позволяет легко учитывать как диэлектрические, так и проводящие свойства вещества. Величина вещественной части абсолютной диэлектрической проницаемости говорит об интенсивности процесса поляризации. Мнимая часть характеризует плотность токов проводимости.

Комплексную абсолютную диэлектрическую проницаемость можно изобразить на комплексной плоскости (рис. 3.1). Она образует с действительной осью отрицательный угол δ, которыйназываетсяуглом диэлектрических потерь.

Рис. 3.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость на комплексной плоскости

Величина угла диэлектрических потерь определяется соотношением между мнимой и действительной частями комплексной диэлектрической проницаемости. На практике чаще всего пользуютсятангенсомугла диэлектрических потерь:

(3.10)

Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению плотности токов проводимости и плотности токов смещения. В электродинамике он используется для классификации сред.

Электропроводность природных сред лежит в интервале приблизительно от 10-17 до 6.1*107 См/м. Из-за такой разницы электропроводности сред их поведение в электромагнит­ном поле будет различным. Чем больше величина электропроводности, тем больше плотность тока проводимости в среде при той же напряженности электрического поля. С другой стороны, чем выше скорость изменения электрического поля и диэлектрическая проницаемость, тем больше плотность тока смещения.

Для упрощения анализа вводятся понятия идеального проводника и идеального диэлектрика. Идеальный проводник - это среда с бесконечно боль­шой электропроводностью (σ → ∞), а у идеального диэлектрика электропроводности нет (σ = 0). В идеальном про­воднике может существовать только ток проводимости, а в идеаль­ном диэлектрике - только ток смещения.

В реальных средах имеется ток проводимости и ток смещения, Поэтому проводниками принято называть среды, в ко­торых ток проводимости намного превосходит ток смещения. Среды, в которых основным является ток смещения, относят к ди­электрикам. Полупроводником считается среда, в которой токи смещения и токи проводимости одного порядка, то есть тангенс угла электрических потерь порядка единицы.

Такое деление сред имеет относи­тельный характер, так как, при прочих равных условиях, зависит от скорости изменения электромагнитного поля, то есть от частоты.

3.3. Перестановочная двойственность уравнений Максвелла

Рассмотрим первое и второе уравнение Максвелла в комплексной форме для свободного поля:

,	(3.11)
.	(3.12)

Если сравнить эти уравнения между собой, легко обнаружить, что они переходят одно в другое в результате следующих замен:

(3.13)

Эти соотношения формализует принцип перестановочной двойственности для свободного поля.

Перестановочная двойственность уравнений Максвелла имеет большое практическое значение. Существуют такие электродинамические задачи, в которых векторы напряженности электрического и магнитного полей меняются ролями. Если одна из таких «парных» задач решена то для получения решения второй задачи достаточно в готовых формулах сделать замену, задаваемую условиями (3.13). Решение в этом случае получено путем применения принципа перестановочной двойственности.

Распространим принцип двойственности на уравнения Максвелла с источниками. Для этого запишем первое и второе уравнения:

	(3.14)

Систему (3.14) необходимо дополнить модифицированными уравнениями:

	(3.15)

где	– комплексная амплитуда вектора плотности сторонних магнитных токов.

Сопоставим обе системы уравнений. Известная система уравнений (3.14) переходит в модифицированную систему (3.15), если произвести следующие замены:

.

(3.16)

Эти соотношения отличаются от аналогичных, имеющих номер (3.13), тем, что в них присутствуют векторы плотности сторонних токов. То есть они относятся к вынужденному полю. Кроме того, в уравнениях (3.15) источники заданы специальным образом. В правой части второго уравнения стоит магнитный аналог вектора плотности сторонних электрических токов. Это комплексная амплитуда вектора плотности сторонних магнитных токов. Однако в природе магнитные заряды отсутствуют. Следовательно, не может быть и магнитных токов. Но это не мешает вводить такие объекты формально для упрощения исследования реальных полей.

Замена (3.16) может производиться и в готовых формулах, описывающих решения задач.

studfiles.net

электромагнитная проницаемость - это... Что такое электромагнитная проницаемость?

 электромагнитная проницаемость

costante f elettromagnetica

Dictionnaire technique russo-italien. 2013.

• электромагнитная постоянная
• электромагнитная разведка

Смотреть что такое "электромагнитная проницаемость" в других словарях:

• Электромагнитная энергия — Электромагнитная энергия  термин, под которым подразумевается энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же относятся частные случаи чистого электрического поля и чистого магнитного поля. Содержание 1 Работа электрического поля по… …   Википедия

• ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ — возникновение электрич. поля, электрич. тока или электрич. поляризации при изменении во времени магн. поля или при движении материальных сред в магн. поле. Различают два типа эффектов Э. и. Один из них состоит в наведении вихревого электрич. поля …   Физическая энциклопедия

• Монетоприёмник — …   Википедия

• ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ — электромагнитная энергия, энергия, связанная с электромагнитным полем и распределённая в пространстве. Э. э. п. характеризуют объёмной плотностью энергии о) = dW/dV, где dW Э. э. п., заключённая в малом объёме dV вблизи рассматриваемой точки поля …   Большой энциклопедический политехнический словарь

• ГОСТ Р 52002-2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий — Терминология ГОСТ Р 52002 2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий оригинал документа: 128 (идеальный электрический) ключ Элемент электрической цепи, электрическое сопротивление которого принимает нулевое либо бесконечно… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Уравнения Максвелла —     Классическая электродинамика …   Википедия

• испытания — 3.3 испытания: Экспериментальное определение количественных или качественных характеристик объекта при его функционировании в условиях различных воздействий на него. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ГОСТ 19880-74: Электротехника. Основные понятия. Термины и определения — Терминология ГОСТ 19880 74: Электротехника. Основные понятия. Термины и определения оригинал документа: S3 Элемент электрической цепи Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи, выполняющее в ней определенную функцию Определения… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• время — 3.3.4 время tE (time tE): время нагрева начальным пусковым переменным током IА обмотки ротора или статора от температуры, достигаемой в номинальном режиме работы, до допустимой температуры при максимальной температуре окружающей среды. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Требования — 5.2 Требования к вертикальной разметке 5.2.1 На поверхность столбиков, обращенную в сторону приближающихся транспортных средств, наносят вертикальную разметку по ГОСТ Р 51256 в виде полосы черного цвета (рисунки 9 и 10) и крепят световозвращатели …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Магнетизм — 1) Свойства магнитов. Наиболее характерное магнитное явление притяжение магнитом кусков железа известно со времен глубокой древности. Однако в Европе вплоть до XII столетия наблюдали это явление лишь с естественными магнитами, т. е. с кусками… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

polytechnic_ru_it.academic.ru

лекции по курсу Электротехнические материалы

Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

Особенностями использования  материалов в электроэнергетике является то, что они эксплуатируются в условиях воздействия электрических полей, и в несколько меньшей степени, в условиях воздействия магнитных полей. Основными процессами, происходящими под действием этих полей являются поляризация вещества, электропроводность, намагничивание вещества. В предыдущей лекции рассматривалась электропроводность. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

3.1. Диэлектрическая проницаемость и электрические поля в диэлектриках.

3.2.. Магнитная проницаемость и магнитные поля.

          Прежде чем приступить к лекции хотелось бы напомнить термины и определения. 

Электрическое поле - это вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному заряду. Численно оно равно силе, действующей на единичный заряд (заряд в один кулон). Размерность напряженности поля в системе единиц СИ - В/м. С напряжением между точками a и b оно связано следующим выражением

:

  

(3.1),

а с потенциалом j:      E = -grad j.                                          (3.2)                                                                

В однородном поле, в межэлектродном зазоре d,  эти выражения упрощаются  

                          U = E·d, или E = U/d                                                 (3.3) 

в начало лекции

        Определение этой величины вы должны помнить еще из школы. Давайте вспомним. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю):

                                                                              (3.4)

где e0 - диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость вакуума, e0 = 8.85 10-12 Ф/м, S- площадь каждой из пластин, d - зазор между пластинами,  U - напряжение между ними. Разделив на площадь и перейдя к плотности заряда на обкладке получим s = e0E.

Если в межэлектродное пространство ввести диэлектрик, то что произойдет? Все зависит от того, подключен заряженный конденсатор к источнику или отключен. В подключенном конденсаторе напряжение между пластинами принудительно поддерживается, но заряд на каждой пластине увеличивается до нового значения Qm. 

Отношение Qm/Q0 = e называется диэлектрической проницаемостью материала. 

Из самого определения видно, что диэлектрическая проницаемость материала является безразмерной величиной. Перейдя к плотности заряда на обкладке в случае диэлектрика получим s = e0eE.

Откуда притекает дополнительный заряд? Ясно, что заряд притекает из источника.

В отключенном от источника заряженном конденсаторе ситуация несколько отличается. Заряд не может измениться, т.к. ему некуда утекать и неоткуда притекать. В этом случае изменится другой параметр. Оказывается уменьшаются напряжение на конденсаторе и, соответственно, напряженность поля в конденсаторе. 

Коэффициент ослабления поля тот же самый, как и в случае увеличения заряда при подключенном источнике, т.е. он равен e.

       

Это второе определение диэлектрической проницаемости.

          За счет чего это происходит? Рассмотрим этот вопрос подробнее. Здесь придется обратиться к понятию поляризации. Как известно, молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия, или молекула бензола. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядом. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула называется полярной или дипольной.

Дипольный момент молекулы является вектором, направленным от отрицательного к положительному заряду. Численно он равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда.

В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение электронных оболочек. Возникает индуцированный дипольный момент у молекулы, молекула поляризуется. 

Поляризация за счет смещения электронов называется электронной. Возникающий дипольный момент невелик. Диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей и твердых диэлектриков также невелика, она не превышает 3. 

Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул называются неполярными диэлектриками.

В полярной молекуле под действием поля происходит поворот диполя в направлении  напряженности электрического поля. В этом случае, в зависимости от значения дипольного момента молекулы и концентрации молекул поляризация может быть значительной. Для жидкостей и твердых диэлектриков с дипольной поляризацией диэлектрическая проницаемость достигает примерно 100 и даже больше. 

Диэлектрики, состоящие из полярных молекул называются полярными диэлектриками.

В некоторых твердых диэлектриках может существовать особый вид поляризации: спонтанная, или доменная поляризация. Она существует только в кристаллах, но далеко не во всех, в аморфных телах ее не бывает. Оказывается иногда в среде возникают самопроизвольно микроскопические области с поляризацией, которая получается при смещении положительно заряженных ионов решетки в одну сторону, а отрицательно заряженных ионов в другую сторону. 

Микрообласть со спонтанной поляризацией называется доменом.  Обычно размер доменов составляет микроны и десятки микрон. Суммарный дипольный момент любого образца равен нулю, т.к. дипольные моменты доменов направлены в разные стороны. 

Если дипольные моменты доменов хаотически направлены в разные стороны, то такой диэлектрик называется сегнетоэлектриком.

  Если домены существуют парами, причем у каждой пары дипольные моменты направлены в противоположные стороны, такой диэлектрик называется антисегнетоэлектриком. Под действием электрического поля домены в диэлектрике поворачиваются в направлении электрического поля, как гигантские диполи. Только в отличии от диполей, где молекулы физически поворачиваются, в доменах перестраивается структура, так, что результирующий вектор поляризации каждого домена чуть-чуть смещается в направлении поля.  

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков велика, она может достигать десятков тысяч.

Суммарный дипольный момент единицы объема называется поляризацией . Вектор поляризации, появляющейся под действием электрического поля, направлен вдоль направления электрического поля. Его значение связано с напряженностью поля P = e0cE, где c- диэлектрическая восприимчивость. Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью e = 1+c.

В газообразном диэлектрике количество дипольных моментов мало вследствие низкой плотности газа, поэтому диэлектрическая проницаемость мало отличается от единицы, даже для полярных газов (Отличие в третьем, четвертом знаке после запятой).

Именно поляризация и вызывает увеличение плотности заряда на обкладках конденсатора при подключенном источнике. Значение плотности заряда на обкладках конденсатора  s = P+e0E. Естественно, что в случае вакуума поляризация равна нулю, диэлектрическая проницаемость в точности равна единице.

В электродинамике вводят понятие вектора электрического смещения

=  e0eE                                                                      (3.5.)

который определяет заряд как в случае вакуума, так и в случае диэлектрика. Другие названия этого термина - электрическая индукция или электростатическая индукция. Размерность индукции Кл/м2. Кроме приведённых выражений полезно будет также вспомнить соотношения для электрического смещения D:

= s = e0eE,                                                                          (3.6.)

            Энергия электрического поля в среде связана с диэлектрической проницаемостью  

W = e0×e×E2/2 или W = DE/2, или W = D2/2e.

Для устройств, содержащих в себе электрические поля важно понимать как изменяется напряженность электрического поля при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Если расположить диэлектрики так, что электрическое поле перпендикулярно поверхности раздела, то значения напряжённости поля в каждом материале обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

=

(3.7)

             Рассмотрим простую задачку. В плоский конденсатор с зазором d и напряжением U вводят пластину диэлектрика, которая имеет толщину d1, диэлектрическую проницаемость e. Как изменится поле в оставшейся части зазора и какое поле будет в диэлектрике?

Несложно решить эту задачу воспользовавшись выражениями (3.3) и (3.7), которые для нашего случая можно переписать как

Ев(d-d1) + Eдd1= U                                                                                 (3.8)

Евeв= Eдeд

Решив систему уравнений получим:

       (3.9)

Анализируя эти выражения можно увидеть, что поле в газовой прослойке всегда увеличено, а в диэлектрической - уменьшено. Емкость конденсатора в этом случае увеличена, но незначительно по сравнению с емкостью конденсатора без диэлектрика.

В случае, когда электрическое поле параллельно поверхности раздела, напряженности поля в материалах одинаковы. Этот случай можно реализовать, вводя в конденсатор диэлектрик, толщины, равной величине межэлектродного зазора в конденсаторе. Емкость, при этом, увеличивается существенно, пропорционально объемной доле диэлектрика .

Для понимания процессов в диэлектриках важно знать значения полей в случае различных электродов. Наиболее часто используются модельные представления электродных систем, к которым с той или иной степенью приближения можно свести многие реальные системы электродов. Это три типа полей:

- плоско- параллельное,

- радиально-цилиндрическое, или аксиальное

- радиально-сферическое.

Ниже приводятся описание этих полей и необходимые для расчета формулы.

Плоско-параллельное поле.  Здесь эквипотенциальные поверхности (поверхности уровня) представляют собой параллельные плоскости, а линии индукции, совпадающие с направлением вектора напряженности поля (которая во всех точках поля одинакова), - перпендикулярны этим плоскостям.

Значение ёмкости:         

(3.10)

В плоско-параллельном  поле напряженность Е  одинакова во всех точках. Поэтому: 

(3.11)

                

Радиально-цилиндрическое поле. Эквипотенциальными  в этом поле являются коаксиальные (имеющие общую ось) цилиндрические поверхности, а линии поля располагаются в радиальном направлении. Распределение напряженности электрического поля: 

Е( r ) =

Значение емкости:

(3.12)

r1 - радиус внутреннего цилиндра, r2 - радиус внешнего цилиндра

Радиально-сферическое поле. В этом поле поверхности уровня - это сферы с общим центром, а линии индукции направлены по радиусам. 

             Распределение напряженности электрического поля:

Е( r )=

 

Значение емкости:

(3.13)

Причем емкость шара по отношению к сфере бесконечного радиуса

(3.14)

Ёмкость полушария в два раза меньше емкости шара. 

в начало лекции

          Аналогично рассмотрению диэлектрической проницаемости, связывающей электрическую индукцию с напряженностью электрического поля, магнитная проницаемость связывает магнитную индукцию B с напряженностью магнитного поля H.

         B=m0×m×H                                                                                      (3.15)

Здесь m0- магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума. m0 = 4p×10-7 Гн/м. Можно ввести понятие намагниченности m0M = B - m0H. Этот фактор вносит в магнитную индукцию именно среда, т.е. намагниченность является характеристикой среды. Аналогично поляризации среды в электрическом поле намагниченность складывается из намагниченностей отдельных атомов, которые называются магнитными моментами атомов M = Smi. Намагниченность обычно пропорциональна напряженности магнитного поля

        M = cм ×Н                                                                                         (3.16)

где cм - магнитная восприимчивость вещества. Значения m и cм связаны m = cм+1

Энергия магнитного поля W = B×H/2 = m0×m×h3/2 = B2/2m0×m

Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Электрическое поле создается зарядами, магнитное - токами. Силовые линии электрического поля начинаются на положительном заряде и, обязательно, заканчиваются на отрицательном заряде. Силовые линии магнитного поля замкнуты, они окружают линии тока. В электрическом поле заряд порождает индукцию поля.

      D = q/4pe0×e×r2                                                        (3.17)                                                                               

            В магнитном поле ток порождает напряженность магнитного поля (закон Био-Савара).

    H = I/2pr.                                                                                                    (3.18)

            Приведем еще выражение для напряженности поля и индукции в длинном соленоиде, которое специфично именно для магнитного поля.

    H = n×I, B = m0×m×n×I                                                                                     (3.19)

где n- число витков катушки на единицу длины.

            В электрическом поле сила, действующая на заряд, пропорциональна напряженности поля (закон Кулона). В магнитном поле, сила действующая на заряд пропорциональна индукции. Еще одно принципиальное отличие состоит в том, что диэлектрическая проницаемость не может быть меньше 1, тогда как магнитная проницаемость может быть меньше 1 в некоторых материалах.. 

          Различные материалы по разному ведут себя в магнитном поле и, соответственно имеют различную магнитную проницаемость.

    Диамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1.

Подавляющее большинство веществ являются диамагнетиками. Диамагнетизм проявляется тогда, когда атомы и молекулы не имеют магнитного момента в отсутствии магнитного поля, а намагниченность создается только за счет действия магнитного поля на электроны молекул. При этом магнитная восприимчивость cм< 0. По порядку величины значение восприимчивости составляет (-10-6).     Парамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1.

Эти вещества содержат атомы и электроны, имеющие собственный магнитный момент, который связан с орбитальным движением электронов или с собственным моментом импульса электрона, т.н. спином. Парамагнетиками являются кислород, магний, натрий (NaCl - диамагнетик), кальций, титан, палладий.     Ферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

Это железо, никель, кобальт и ряд более редких веществ. На основе этих элементов изготавливаются магнитные материалы.     Ферримагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю.      Антиферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга.

Примеры ферримагнетиков и антиферромагнетиков - ферриты, соединения типа Fe2O3 c MeO, где Ме - двухвалентный металл. 

sermir.narod.ru

диаграмма направленности, диэлектрическая и магнитная проницаемости, коэффициенты направленного действия и усиления

Добавлено 1 февраля 2017 в 02:30

Сохранить или поделиться

Основы антенн

Во второй части серии «Основы антенн» мы рассмотрим физику антенн, которую мы используем каждый день, включая информацию о диэлектрической проницаемости, усилении, направленности и многом другом.

Антенны передают информацию между точками путем изменения электромагнитных полей в одном месте и детектирования изменений электромагнитных полей в другом месте. Чтобы понять, как антенны могут передавать информацию на всё более удаленные места, вы должны сначала понять физику, которая регулирует их работу.

Обзор

«Введение в основы антенн» предоставляет первую часть информации о фундаментальной физике, необходимой для понимания, как антенны передают и принимают информацию. Данная статья расширит представления предыдущей статьи, чтобы добавить понятия диаграммы излучения в ближнем и дальнем поле, диэлектрической проницаемости, направленности и усилении.

Что происходит в проводнике антенны?

Представьте генератор синусоидального сигнала, подключенный к проводу и создающий изменяющуюся во времени разность потенциалов, приложенную к проводу. Из-за приложенной разности потенциалов носители заряда внутри провода будут передвигаться. Изменение амплитуды и полярности разности потенциалов, создаваемой генератором синусоидального сигнала, заставляет электроны постоянно ускоряться, замедляться и изменять направление движения вдоль провода.

Демонстрационное видео выше показывает моделирование излучающего заряда из Университета Колорадо. Вы можете попробовать это моделирование здесь.

Сначала генератор синусоидального сигнала перемещает заряды в одном направлении, создавая электрические и магнитные поля, которые увеличиваются по мере роста напряжения. Эти поля постоянно меняются, и эти изменения полей распространяются от антенны со скоростью света – быстро, но предел всё-таки есть.

По мере продолжения периода синусоиды генератора напряжение уменьшается, и величины магнитного и электрического полей так же уменьшаются. Когда генератор синусоиды меняет полярность, а затем увеличивает величину напряжения, носители заряда замедляются, меняют направление движения и ускоряются. Это изменяет полярность электрического и магнитного полей.

Недавно излученные в предыдущем полупериоде поля и поля из текущего полупериода создают чередующиеся крайние точки в напряженностях полей, которые распространяются от антенны.

Излучение, создаваемое диполем Герца

Присутствие в проводе носителей заряда создает электрическое поле, которое исходит от провода; движение носителей заряда создает магнитное поле, которое окружает провод; а ускорение носителей заряда создает электромагнитные волны, которые распространяются от провода.

Я настоятельно рекомендую вам взглянуть на превосходный видеоплейлист от доктора Джона Белчера из MIT, который лучше иллюстрирует изменения линий полей.

Область, близкая к антенне, d ≪ λ, называется областью ближнего поля, и в ней доминируют магнитные поля. Переходная зона находится на расстоянии от одной до двух длин волн; а дальше расположена область дальнего поля, d > 2λ, где электрическое поле становится более размеренным и доминирующим.

Большинство антенн работают в дальней зоне и передают информацию на большие расстояния с помощью изменяющихся магнитных полей. Антенны ближней зоны, которые используют сильные магнитные поля в области, близкой к антенне, становятся все более популярными, хотя дальность связи ближнего поля ограничивается несколькими длинами волн.

Даже притом, что радиопередатчики, какие как nRF24 и Bluetooth-устройства, имеют ограниченную дальность связи, они всё еще используют связь в дальней зоне – информацию передает электрическое поле. RFID-метки и NFC-метки имеют очень маленькую дальность связи и используют связь в ближней зоне (т.е. доминирующее магнитное поле).

Диаграммы направленности

Анимация выше показывает контуры постоянной плотности мощности излучения, распространяющегося со временем от антенны и отслеживаемого в плоскости, в которой вертикально расположена дипольная антенна. Это двумерный срез трехмерной диаграммы направленности излучения.

Как правило, чтобы показать диаграмму направленности излучения в дальней зоне, из-за сложности прослеживается только один контур (линия или поверхность равных значений) вокруг антенны. Контурные поверхности сосредоточены вокруг антенны, а контурные линии центрированы на взаимно перпендикулярных плоскостях, которые пересекают антенну, часто через линию симметрии. Диполь Герца выше передает в вертикальном направлении очень мало энергии, что близко к нулю.

Трехмерные диаграммы направленности излучения, проецируемые (как двумерные диаграммы) на плоскость с декартовой системой координат. Основаны на модели из Mathematica, которую найти можно здесь

Для получения различных диаграмм направленности разрабатываются различные конструкции антенн. Сложность диаграммы зависит от конструкции антенны.

Технические описания антенн иногда поставляются с трехмерными проекциями диаграмм направленности. Но чаще всего мы видим двумерные графики и должны сами представить себе, как выглядит трехмерная модель диаграммы направленности.

Представление диаграммы направленности антенны Яги в полярных и декартовых системах координат

Диэлектрическая и магнитная проницаемости

Диэлектрическая проницаемость

Майкл Фарадей заметил, что, когда диэлектрики (изоляторы) помещаются в зазор между параллельно расположенными пластинами конденсатора, емкость увеличивается. Это явление связано с поляризацией зарядов внутри диэлектрической среды.

Диэлектрическая проницаемость является мерой того, насколько легко эти заряды могут выстраиваться (поляризация) в присутствии электрического поля. Более высокая диэлектрическая проницаемость указывает на большую устойчивость к формированию электрического поля, а также на более медленное распространение в среде возмущений.

Материал с высокой диэлектрической проницаемостью, окруженный материалом с низкой диэлектрической проницаемостью, не будет влиять на частоту колебаний, но материал с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшит скорость распространения волны. Если вспомнить, что скорость волны равна произведению частоты на длину волны, то мы можем увидеть, что, если частота остается постоянной, то уменьшение скорости должно сопровождаться соответствующим уменьшением длины волны. Когда волна выходит из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, скорость и длина волны увеличиваются.

Когда антенна встроена в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, размеры антенны могут быть уменьшены в соответствии с уменьшение длины волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны.

Некоторые ранние GPS антенны (f = 1,56 ГГц) были размером 60 мм на 66 мм и толщиной в несколько миллиметров, плюс схема приемника дополнительно увеличивала размер устройства. Благодаря одновременному использованию технологий, уменьшающих размеры схем, и микрополосковых антенн последнего поколения, встроенных в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, GPS устройства, включающие в себя антенну и приемник, могут быть произведены в корпусе размером 4 мм на 4 мм и толщиной 2,1 мм.

Похожие технологии используются и в мобильных телефонах, где резонансные антенны существенно меньше длины волны, которая распространяется в воздухе.

При переходе волны между материалами с разной диэлектрической проницаемостью энергия отражается. Если волна движется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью (т.е. с высокой скоростью распространения) в материал с высокой диэлектрической проницаемостью (т.е. с низкой скоростью распространения), волна будет подвергаться инверсии (то есть сдвигу фазы на 180 градусов). Отраженные волны могут взаимодействовать с новыми приходящими волнами, создавая различные модели интерференции (смотрите Введение в основы антенн).

Переход волны от высокой скорости к низкой скоростиПереход волны от низкой скорости к высокой скорости

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость – это способность материала накапливать энергию в магнитных полях. Напомним, что сигналы излучаются антеннами в виде электромагнитного излучения – в процессе участвуют и электрическое, и магнитные поля. Таким образом, не будет сюрпризом то, что магнитная проницаемость, как и диэлектрическая проницаемость, влияет на распространение электромагнитных волн. И диэлектрическая, и магнитная проницаемости дают в результате уменьшение скорости волны и уменьшение длины волны.

Контурная антенна на ферритовом стержне имеет две обмотки для приема сигналов с амплитудной модуляцией на средних и длинных волнах

Чтобы закрепить идею о том, что диэлектрическая и магнитная проницаемости влияют на скорость (и длину волны) электромагнитного излучения, мы можем рассмотреть «скорость света», которая на самом деле является скоростью не только света, но и электромагнитного излучения в целом. Скорость света в вакууме – самая высокая скорость во вселенной, обозначается, как C, и рассчитывается с использованием диэлектрической и магнитной проницаемостей свободного пространства:

\[c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}\]

Направленность, эффективность и усиление

Изотропные антенны являются теоретическими точечными источниками, которые излучаются электромагнитную энергию одинаково во всех направлениях. Общая излучаемая мощность определяется путем интегрирования потока мощности на поверхности сферы радиусом r, которая окружает антенну. \(\text{Площадь поверхности}=4\pi r^2\)

Интеграл представляет собой теоретическую полную излучаемую мощность. По мере удаления от источника площадь поверхности интегрирующей сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса сферы. Энергия от изотропных излучателей рассеивается равномерно для покрытия этой увеличивающейся площади, и, таким образом, плотность потока электромагнитной мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния от излучателя.

Поскольку плотность мощности изотропного излучателя уменьшается быстро по мере увеличения расстояния, разработчики при создании реальных антенн манипулируют направлением излучения энергии так, чтобы увеличить плотность мощности в нужных направлениях и уменьшить ее в остальных направлениях.

Коэффициент направленного действия (КНД, или просто направленность) – это отношение плотности мощности физической антенны в наиболее концентрированном направлении к плотности мощности теоретического изотропного излучателя при том же уровне полной излучаемой мощности.

\[D=10\times Log_{10}(\frac{\text{реальная антенна}}{\text{изотропный излучатель}})\]

Коэффициент направленного действия (КНД) выражается как обычное число, представляющее собой безразмерный коэффициент или значение в децибелах; и чем больше его значение, тем сильнее сфокусирован луч. Антенна, которая излучает одинаково во всех направлениях, обладает коэффициентом направленного действия, равным 1 (0 дБ). Диполь Герца, представленный ранее, из-за недостатка энергии, передаваемой в z-направлении, обладает КНД, равным 1,5 (1,76 дБ).

В зависимости области применения используются антенны с разной направленностью:

• антенны со слабой направленностью передают и принимают информацию со всех направлений более или менее одинаково. Они полезны в мобильных приложениях, где направление между передатчиком и приемником может изменяться;
• антенны с высокой направленностью способны передавать и принимать информацию на больших расстояниях, но должны быть направлены в сторону другой антенны. Они используются в стационарных установках, таких как спутниковое телевидение.

Параболические антенны (например, те, которые используются для приема спутникового телевидения) обладают коэффициентом усиления (КУ), равным 37,5 дБ. Коэффициент усиления антенны включает в себя коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент полезного действия (КПД) антенны.

\[\text{КУ}=\text{КПД}\times \text{КНД}\]

Коэффициент полезного действия рассчитывается исходя из фактических потерь конкретной конструкции антенны из-за производственных дефектов, потерь поверхностного покрытия, несоответствия импеданса (волнового сопротивления) и других факторов. В то время как коэффициент направленного действия всегда больше или равен 1 (0 дБ), коэффициент усиления антенны может быть меньше 1 (0 дБ).

Рефлекторы (отражатели)

Диаграмма направленности излучения антенны дает нам информацию о ее способностях приема и передачи в различных направлениях. Диаграмма направленности излучения может быть сформирована путем добавления направляющих элементов (директоров) спереди антенны и отражающих элементов (рефлекторов) позади ее.

Рефлекторы перенаправляют энергию, которая излучалась бы антенной в обратном направлении, таким образом, что она распространяется в прямом направлении.

Диаграмма направленности. Прямое направление соответствует 0°

Пример рефлектора антенны можно ужидеть на следующей фотографии космического аппарата Voyager.

Voyager и антенна Кассегрена

При приеме она захватывает энергию с большой площади и отражает ее в сторону приемного элемента. При передаче она концентрирует электромагнитное излучение вдоль центральной оси. Усиление, обеспечиваемое подобными антеннами, способствует успешной передаче информации на очень большие расстояния.

Телевизионные УВЧ антенны обладают отражающими элементами на дальней стороне дипольного приемного элемента; они собирают и отражают (в сторону приемного элемента) радиоволны, которые в противном случае прошли бы мимо.

УВЧ антенна с четырьмя рефлекторами (на фотографии слева)

Директоры

Как и отражающие элементы, направляющие элементы добавляются в антенны для формирования диаграммы направленности излучения. Их длины и расстояние между ними выбираются таким образом, чтобы они поглощали энергию и переизлучали ее синфазно с волнами, распространяющимися непосредственно к приемному элементу или непосредственно от передающего элемента. Это создает конструктивную интерференцию, которая используется только в прямом направлении антенны; волны, которые поступают с других сторон, поглощаются и переизлучаются не синфазно, что приводит к разрушающей интерференции.

Директоры в телевизионной УВЧ антенне

Заключение

Надеюсь, что эта статья и предыдущая в данной серии помогли вам лучше понять, как работают антенны, и что представляют их характеристики. Оставляйте комментарии!

Оригинал статьи:

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

Проницаемость диэлектрическая вакуума - Энциклопедия по машиностроению XXL

Наименьшую диэлектрическую проницаемость имеет вакуум (е = 1), диэлектрическая проницаемость воздуха 1,00058, жидких и твердых диэлектриков — 2... 17, а сегнетоэлектриков — 1500...7500.  [c.94]

Диэлектрическая проницаемость (относительная диэлектрическая проницаемость). Диэлектрическая проницаемость 8г Среды показывает, во сколько раз сила взаимодействия F электрических зарядов в данной среде меньше, чем сила взаимодействия F зарядов в вакууме, т. е.  [c.65]

Из выражения (6) следует, что диэлектрическая проницаемость — величина, определяющая способность материала образовывать электрическую емкость. Наименьшей диэлектрической проницаемостью обладает вакуум (е= 1) диэлектрическая проницаемость воздуха е = = 1,00058. Большими значениями диэлектрической проницаемости обладают жидкие и твердые диэлектрики, у которых е = 2 9.  [c.9]

Проницаемость диэлектрическая 228 -- вакуума 75  [c.553]

Параметры , о, у являются соответственно эффективной диэлектрической проницаемостью слоя, вакуума и среды.  [c.288]

В диэлектрических материалах электромагнитные колебания распространяются с фазовой скоростью, зависящей от диэлектрической проницаемости, и, естественно, со скоростью, меньшей чем в вакууме. Распространение электромагнитной энергии в среде сопровождается взаимодействием с атомами вещества. Точнее, происходит определенное воздействие электромагнитной волны на электрические заряды атома, что приводит к изменению либо скорости распространения, либо интенсивности потока.  [c.117]

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности Во электрического поля в вакууме к модулю напряженности Е электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества  [c.143]

На каком расстоянии от маленького заряженного шара напряженность электрического поля в воде с диэлектрической проницаемостью 81 будет такой же, как в вакууме на расстоянии 18 см от центра шара  [c.203]

Электромагнитная волна представляет собой электромагнитное возмущение, распространяющееся, как упоминалось в 3, в вакууме со скоростью с, а в среде — со скоростью v = /j/ ep, где е — диэлектрическая проницаемость вещества, ар — его магнитная проницаемость. С этим электромагнитным возмущением связана энергия, плотность которой (т. е. энергия, заключенная в единице объема)  [c.37]

Важнейшим выводом теории Максвелла явилось положение, согласно которому скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равняется отношению электромагнитных и электростатических единиц силы тока второй, не менее важный вывод гласил, что показатель преломления электромагнитных волн равняется У ер, где е — диэлектрическая, ар — магнитная проницаемости среды. Таким образом, скорость распространения электромагнитной волны, в частности света, оказалась связанной с константами вещества, в котором распространяется свет. Эти константы первоначально вводились в уравнения Максвелла формально и имели чисто феноменологический характер. Напомним, что в механической (упругой) теории никакой связи между оптическими характеристиками среды (скорость света) и ее механическими свойствами (упругость, плотность) установлено не было. Известно, что для целого ряда газообразных и жидких диэлектриков соотношение Максвелла п = Уе х е (ибо р. близко к 1) выполняется достаточно хорошо  [c.539]

Безразмерная величина в называется диэлектрической проницаемостью среды и указывает, во сколько раз сила взаимодействия в изотропной непроводящей среде меньше силы взаимодействия в вакууме.  [c.178]

К электрическим параметрам диэлектриков относится диэлектрическая проницаемость, характеризующая способность материала создавать электрическую емкость. В СИ различают относительную диэлектрическую проницаемость 8г (прежде е), величину безразмерную, и абсолютную диэлектрическую проницаемость влво, Ф/м (ео — электрическая постоянная, по старой терминологии — диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,854-Ю- Ф/м).  [c.543]

Величины jio и 8о характеризуют магнитную и диэлектрическую проницаемости вакуума. Они равны  [c.393]

Начнем е единиц измерения. Основной единицей времени во всей физике, в том числе и в ядерной, является секунда. В ядерной технике часто используются очень малые доли секунды микросекунда (1 МКС = 10 с) и наносекунда (I не = 10 с). Несколько больший разнобой имеется в единицах длины. Рекомендованной в 1963 г. в качестве предпочтительной является международная система единиц СИ, в которой длина измеряется в метрах. Но в подавляющем большинстве статей, монографий и учебных пособий по ядерной физике используется система СГС с единицей длины сантиметр. После некоторых раздумий мы решили следовать этой традиции, учтя, что большинство физиков, с которыми мы обсуждали этот вопрос, считают неестественным приписывание вакууму в системе СИ диэлектрической и магнитной проницаемостей, отличных от единицы. Кроме сантиметра, в ядерной физике часто используется внесистемная единица — ферми  [c.8]

Электроизоляционные материалы, находясь в электрическом поле, обнаруживают способность к накоплению электрической энергии. Энергия w, накапливаемая в единице объема, пропорциональна квадрату напряженности поля Е, а также произведению диэлектрической проницаемости материала е и электрической постоянной вакуума.  [c.47]

Относительную диэлектрическую проницаемость материала определяют как отношение емкости конденсатора, в котором пространство между электродами заполнено испытуемым диэлектрическим материалом, к емкости Со при таким же образом расположенных электродах в вакууме (воздухе)  [c.90]

Система СГСЭ (абсолютная электростатическая система единиц) кроме трех основных единиц (сантиметр, грамм, секунда) содержит диэлектрическую проницаемость вакуума, равную безразмерной единице,  [c.87]

Диэлектрическая проницаемость при электронной поляризации может быть определена из соотношения е = я и рассчитана по данным измерения коэффициента преломления. Диэлектрическая проницаемость вакуума равна единице.  [c.7]

Вследствие малой плотности газов поляризация их незначительна и диэлектрическая проницаемость по величине близка к е вакуума, т. е. практически равна единице.  [c.9]

Из формулы (1-4) следует, что диэлектрическую проницаемость вещества можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.  [c.18]

Степень поляризуемости диэлектриков определяется величиной диэлектрической проницаемости, которая определяется по формуле е = Сд/со, где Сц — емкость конденсатора с вакуумом или с воздухом Сд — емкость конденсатора с данным диэлектриком.  [c.99]

Рассмотрение, в котором внимание обращено на размерность физических величин, становится плодотворным, если ввести четвертую электрическую единицу, не зависящую от механических единиц... Так как мы различаем размерности силовых и количественных величин, то диэлектрическая и магнитная проницаемости должны обладать размерностью. Вследствие этого, их нельзя приравнивать единице и для вакуума .  [c.91]

Для вакуума, как известно, величины е и i равны единице и скорость электромагнитных волн в этом случае будет максимальной и равной с. Таким образом, с точки зрения волновой теории оптические свойства среды определяются ее магнитной и диэлектрической проницаемостью.  [c.16]

Эта система уравнений записана с учетом следующих предположений магнитная и диэлектрическая проницаемости проводящей среды мало отличаются от соответствующих величин для вакуума, токи смещения и конвективные токи пренебрежимо малы, проводимость жидкости изотропна и постоянна.  [c.61]

Наименьшую диэлектрическую проницаемость имеет вакуум (бц= 1), диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1,00058 жидких и твердых диэлектриков — от 2 до 17, а сегнетоэлектри-ков — от 1500 до 7500. Величины диэлектрической проницаемости для различных материалов приведены в приложении.  [c.149]

В этих уравнениях параметры г и /х. характеризующие среду, представляют собой тензоры второго ранга, называемые соответственно тензором диэлектрической проницаемости (диэлектрическим тензором) и тензором магнитной проницаемости Р и М — векторы электрической и магнитной поляризации, а (, и /Хд — диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума соответственно. Для изотропной среды указанные тензоры сводятся к скалярным величинам. Во многих случаях величины е и м можно считать независи-  [c.10]

Выводы и расчеты проводятся в рационализированной международной системе единиц. В этой системе е = Eqe, Вд 8,85430-ф м — диэлектрическая проницаемость вакуума, е — диэлектрическая проницаемость среды относительно вакуума. Аналогично, р = 1qH. = 4it-10 " гн1м. — магнитная проницаемость вакуума. Скорость электромагнитных воля ДЛЯ  [c.19]

Электростатическая систсма единиц система СГСЭ). При построении этой системы первой производной электрической единицей вводится единица электрического заряда с использованием закона Кулона в качестве определяюпцего уравнения. При этом абсолютная диэлектрическая проницаемость рассматривается безразмерной электрической величиной. Как следствие этого, в некоторых уравнениях, связывающих электромагнитные величины, появляется в явном виде корень квадратный из скорости света в вакууме.  [c.30]

Вакуумная электроника, основанная на использовании движения свободных электронов и ионов в вакууме или разреженных и сжатых газах, дала возможность создать вакуумные генераторы и усилители элегспектре частот., Имеются приборы, основанные на вакууме, которые преобразуют тепловую, световую и механическую энергию в электрическую. Функции, выполняемые электровакуумными приборами во всех отраслях радиоэлектроники, весьма обширны и разнообразны. Этому способствовало изучение электрических свойств воздуха и вакуума, разработка и применение новых газов и паров штетических жидкостей, обладаюихих высокой электрической прочностью, малыми значениями диэлектрической проницаемости и потерь, а также применение новых видов пластмасс и керамики, особенно пористых.  [c.3]

Диэлектрическая проницаемость есть скалярная безразмерная велич1ша, характеризующая способность диэлектрика образовывать емкость конденсатора и равная отношению плотности электрического ззряда па электродах при данном диэлектрике к плотности заряда при тех же условиях в вакууме.  [c.6]

Основная трудность при построении этой системы состояла в необходимости сшить электрические и магнитные единицы с единицами механическими. Достигнуто это бьшо введением двух постоянных электрической Со и магнитной До- В зарубежной литературе можно встретить прежние названия Со и До — диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Вряд ли следует доказьшать, что в этих названиях не больше смысла, чем в гравитационной проницаемости вакуума , как можно бьшо бы назвать гравитационную Постоянную.  [c.59]

mash-xxl.info

---

• 
  С каких частей электроустановки напряжением до 1000 в должно быть снято
• 
  Опора это
• 
  Сопротивление напряжение
• 
  Передача показаний холодной и горячей воды
• 
  Ш4547 схема подключения
• 
  Электронное излучение
• 
  Система единиц измерения
• 
  График отключения света южно сахалинск
• 
  Передать показания счетчика воды городец
• 
  Калькулятор света счетчик
• 
  Cos фи в электрике