|
Статья "Радиоволны - это что?" поставила вопрос.
Данная статья отвечает на него, являясь прямым продолжением и развитием темы первой. Статья "Радиоволны - это что?" вызвала ряд критических замечаний, поступивших от представителей вузовской радиотехнической элиты как наиболее чуткой к факторам, возмущающим установившийся порядок в мире знаний и представлений. Суть замечаний оказалась во многом общей, хотя их
источники разные...
К. П. Харченко
|
Радиоволна - это сброс энергии за пределы проводника, отраженной от его конца.
Константин Павлович Харченко
г. Москва
(публикуется с разрешения автора)
Критические замечания и реплики приведены в редакции оппонентов. Они сводятся к следующему.
1. Ток смещения - это фундаментальное понятие теории электромагнетизма.
2. Система уравнений Максвелла является полной и непротиворечивой системой для векторов электромагнитного поля.
3. Утверждение о бездоказательном введении в уравнение Максвелла величины тока смещения достаточно спорно. При постулировании закона сохранения заряда.
I=∂ρ/∂t (1)
величина тока смещения определяется однозначно с точностью до тока неизвестной природы.
4. Утверждение о том, что бегущая волна на проводнике не излучает, справедливо лишь для проводника бесконечной длины.
5. Существует численный метод нахождения поля в любой точке пространства, окружающего проводник, позволяющий с наперёд заданной точностью найти структуру электромагнитного поля. Утверждение, что наука не умеет вычислять поле Е радиоволны, несостоятельно.
6. Поле Е и поле Н являются взаимозависимыми проявлениями фундаментального явления электромагнитного поля - объективной реальности, существующей в нашем мире, и говорить о независимости этих полей неправомерно. Автор не скрывает, что имеет отличную от общепринятой точку зре¬ния по вопросам: почему и как воз¬никает радиоволна и каков процесс её первоначального развития.
Излагая свои взгляды, он преследует конечной целью сообща приблизиться к истине и делает это в форме беседы с одним "обобщённым оппонентом" (в сокращении О-О) с надеждой на понимание, что остальные, которые мыслят стереотипно, незримо участвуют.
Напомним, что одно из уравнений Д. Максвелла имеет вид
rotH=in+ic (2)
ic=ε(∂E/∂t) (3)
in - объёмная плотность тока проводимости,
Н - вектор напряжённости магнитного поля,
Е - вектор напряжённости электрического поля,
ε - диэлектрическая проницаемость среды,
и отметим, что ic - ток смещения (переменное во времени поле Е) является удачной (по размерности) математической находкой.
Рассуждения начнём с того, что представим во времени и в пространстве те процессы, которые физически происходят в вакууме на линейном проводнике без потерь, ось которого совмещена с координатой Z, когда в сечении Zо = 0 к нему в момент времени tо = О приложена периодическая ЭДС источника колебаний мощностью Ро.
Затруднений здесь нет, так как эта задача детально решена работами [2], [3]. Означенный процесс есть не что иное, как падающая волна, она же бегущая волна, она же поверхностная волна. Процесс со скоростью света перемещается вдоль координаты Z по "столбовой" дороге проводника в соответствии с уравнением (2), где энергия зарядов может принимать вид и поля Н, и поля Е.
Характеризует плотность потока мощности здесь вектор Пойнтинга ∏z, направленный по координате Z. Он образован союзом поля Е
и поля Н на паритетных началах. Изменить направление своего движения вектор ∏z не может, его стабилизируют поля Е и Н, "привязанные" к проводнику - носителю зарядов.
Направление вектора ∏z, в свою очередь, диктует ориентацию векторам Н и Е - они обязаны находиться в плоскостях, ортогональных координате Z, о чём напоминает индекс .
Процесс локализован около оси Z в границах цилиндра с радиусом ρо.
Падающая волна - волна первородная. Она переносит всю мощность Ро, отдаваемую ей источником колебаний, Рпад = Ро. Фазовый фронт падающей волны плоский. Он имеет вид круга радиусом ρо с центром на оси Z.
Особо подчеркнём, что в условиях протекания описываемого процесса, независимо от длины проводника, нет никаких внешних причин, вынуждающих к изменению направления переноса энергии заряда. Последнее означает, что здесь не может быть и речи о возникновении процесса излучения ни от проводника в целом, ни от любой его "вырезки" до тех пор, пока процесс не достигнет конца проводника. Исследователи отодвинули конец проводника в бесконечность.
Отметим, что в рассмотренной задаче ток смещения ic есть поле вида Е
, рождённое энергией зарядов падающей волны, величина которого зависит от мощности Ро. Его функциональная обязанность заключена в участии создания вектора ∏z в союзе с полем Нпад падающей волны.Продолжим начатое движение по линейному проводнику. Его участники "допульсировав" на предельно разрешённой физикой скорости до конца проводника, "видят" знак "обрыв" и поворачивают вспять. Как на автодорогах, так и здесь, лобовое столкновение ничего хорошего не сулит - зарядам грозит аннигиляция. Природа такой финал не допускает и организует развязку на разных уровнях - энергия зарядов отражённой волны получает выход в эфир в виде радиоволны.
Чтобы произошла метаморфоза энергии заряда в энергию радиоволны, возникает особый процесс - стоячая волна, [1]. Зарядами стоячей волны образуется второй ток смещения iсд, который есть поле вида Е
. Его функциональная обязанность определена участием в союзе с вектором Нcт стоячей волны создать радиальный вектор Пойнтинга, ∏г. Здесь индекс || указывает на то, что поле Е|| параллельно оси Z.Вектор ∏г направлен ортогонально координате Z. Он уносит энергию зарядов отраженной волны за пределы проводника. Возникает мощность излучения, равная мощности отражённой волны, РΣ = Ротр - возникает процесс излучения.
Подводя итоги, можно сказать, что на проводнике возникают последовательно, а потом существуют одновременно следующие колебательные процессы:
- падающая волна,
- стоячая волна,
- радиоволна.
Падающая волна - процесс первородный. В ней возникает первый ток смещения iс (Е
), с ней он и оканчивается, донеся мощность Ро до конца проводника с его нагрузкой.Стоячая волна - процесс вспомогательный, он меняет энергию первого процесса для третьего и даёт ему начало. Любопытно отметить, что суть видоизменения энергии заключена в изменении направления распространения процесса на ортогональный. Этим падающая волна и радиоволна оказываются "развязанными" по поляризации, не влияют друг на друга и становятся процессами "независимыми". Общей для них оказывается только арена - проводник - на которой они во времени разыгрывают свои действия. (Красивое явление природы!) Одновременно с разворотом на 90° направления распространения процесса колебаний радиоволна оказывается "свободной" от зарядов ее породивших.
В стоячей волне возникает второй ток смещения - ток iсд (Е||), который ортогонален первому - току iс. С этой волной он и оканчивается, дойдя от конца до начала проводника и дав старт радиоволне.
Падающая волна начинается в начале проводника и оканчивается на его конце. Радиоволна наоборот -стартует с конца проводника, а финиширует в начале, отправляясь за его пределы полностью.
Возвратимся к уравнению (2) и попытаемся осмыслить его, "примеряя" к падающей волне.
Уравнение (2) есть векторное. Для прямолинейного проводника оно существует при условии, что векторы iс и iп являются коллинеарными, т. е., что их оси совпадают с координатой Z. В противном случае плоскость ротации вектора Н не будет ортогональна оси Z.
В падающей волне переменное во времени поле Е
(т. е. ток смещения падающей волны) ортогонально оси Z. Последнее означает, что в уравнении (2) для падающей волны ток ic = О, (его там, попросту говоря, нет) и уравнение (2) для падающей волны принимает видrotH=in (4)
Теперь "примерим" уравнение (2) к радиоволне. Здесь оказывается полный конфуз, так как в радиоволне ОТСУТСТВУЮТ И ТОК iп, И ТОК iс.
Радиоволну отображает уравнение вида
rotHст=iсд (5)
Сопоставляя (4) и (5), видим что по форме они "близнецы". Но только по форме, только потому, что слева стоят "роторы" поля Н, а справа стоят "токи" и что между тем, что "слева" и что "справа", стоит знак равенства.
Для математики этого достаточно. Она "живёт" в мире действий над числами (символами) типа "отнять, поделить".
Физике этого недостаточно. Она учитывает ещё и соподчинённость (иерархию) величин, определяющих процесс, и последовательность воз¬никновения этих величин во времени и пространстве.
На примерах уравнений (4) и (5) покажем корни возникновения математических абстракций.
По контексту предыдущего, в (4) ток iп первичен, так как он вызван зарядами, возникающими под действием ЭДС источника колебаний. Поле Н в (4) вторично, так как оно вызвано наличием тока iп.
По контексту предыдущего, в (5) и ток iсд (переменное во времени поле Е||), и поле Нcт вызваны зарядами стоячей волны одновременно, поэтому они являются синфазными. По ориентации в пространстве они ортогональны. В итоге это означает многое! Это означает, что "за плечами" у них стоит могучий вектор ∏г - вектор Пойнтинга, имеющий физическое право проникать в "пустоту" и распространяться в ней. А теперь, О-О, судите сами. Два внешне идентичные уравнения (4) и (5) по своей скрытой от глаз "внутренней" сущности характеризуют совершенно различные по физике и по результатам процессы.
Уравнения (4) и (5) говорят о том, что процессы, которые они отображают, существуют в "ортогональных мирах", возникают последовательно друг за другом и не "видят" друг друга в дальнейшем.
На этом фоне уравнение (2) Максвелла тускнеет до пропадания. "Оправдать" его наличие можно, лишь предположив, что Д. Максвелл отобразил им процесс, протекающий в электротехнической цепи переменного тока, в которой от радиоволны нет даже "запаха".
Математик Д. Пойнтинг занимался векторным анализом уравнений Максвелла. "Перекладывая и компонуя" заключенные в них вектора, он обнаружил сочетание, которое позволило полагать наличие самостоятельного существования энергии в пространстве, в котором отсутствуют заряды, создавшие эту энергию. (Впоследствии её назвали радиоволной). Д. Пойнтинг оперировал размерностями векторов, не заботясь о последовательности во времени и о физической сути их происхождения. Поэтому в результатах его анализа нет прямых "улик" в доказательство причастности тока iс Максвелла к процессу возникновения радиовол¬ны. Однако, он создал прецедент к поиску радиоволны.
Физик Г. Герц обнаружил радиоволну потому, что она изначально была в природе, а не потому, что Д. Максвелл придумал ток смещения iс.
На проводниках "маленького" диполя Герца имеет место стоячая волна. Диполь Герца - излучатель без потерь. Рассчитывая его мощность излучения, Г. Герц пришёл к правильному результату Рх = Ро, где Ро - мощность источника колебаний, отдаваемая в диполь. Итог: диполь Герца излучает всю подведённую к нему мощность Ро.
Как (в дальнейшем) поступили исследователи, взяв "большой" проводник и возбудив на нём бегущую волну, (а не стоячую) ? Они расчленили его на отрезки, размером с длину диполя Герца, и применили к каждому из этих отрезков правило (формулу) Г. Герца для расчёта поля Е излучения в дальней зоне, не учтя, что физически этого поля там нет потому, что каждый из упомянутых отрезков переносит мощность бегущей, (падающей), поверхностной волны только вдоль своей оси по направлению к концу проводника, нисколько не теряя её на излучение, здесь Рх = 0. В итоге эти исследователи незаметно для себя нарушили закон сохранения энергии. Полученные ими результаты расчетов, [4], стр. 146, - есть фикция, основанная на уравнении (2).
Стоячую волну, (в условиях которой Рх = Ро) и бегущую волну, (в условиях которой Рх = 0), можно отнести к двум граничным состояниям и законах распределения зарядов по проводнику.
Между граничными существует ещё множество состояний, при которых только часть мощности падающей волны, которая от рождения равна Ро, теряется на излучение. В этих условиях 0 < Рх < Ро. Назовём эти состояния - промежуточным распределением зарядов.
Традиционная наука не имеет формулы, которая позволяла бы в согласии с практикой определять поле Е излучения от проводника с законом распределения зарядов на нём, отличным от стоячей волны. Эта формула отсутствует потому, что нет (не было) того тока смещения, который однозначно отвечал бы за возникновение именно и только радиоволны. Теперь, [1], такой ток есть. Его по праву можно считать "отцом" радиоволны, [5].
Кстати сказать, в очерке [5] сообщается "почему и как излучают линейные антенны бегущей волны" на основе нового волнового процесса, открытого в России к 1980, и хорошо излучают.
Предсказание радиоволны Д. Пойнтингом и обнаружение её Г. Герцем повергло исследователей в некую эйфорию и току смещения iс Максвелла стали приписывать свойства, которых у него на самом деле нет.
В частности, следует считать ошибочным "краеугольный" миф, будто ток смещения iс Максвелла способен распространяться в "пустоте" так же, как распространяется ток iп проводимости по идеальному проводнику, [6], стр.107. Так не может делать не только ток iс, которого нет ни в падающей волне, ни в радиоволне, но и любой другой ток смещения, так как уйти в "пустоту" (получить возможность перемещаться в прост¬ранстве диэлектрика) поле Е может только в связке с полем Н в ранге вектора Пойнтинга.
Г. Герц для своих опытов сделал действующую антенну - диполь Герца и определил (в пределах своих возможностей) структуру и свойства радиоволны. С этой целью он предложил и проанализировал математическую модель элементарного электрического вибратора, 1887 г.
Свой элементарный электрический вибратор Г. Герц поместил в центр сферической системы координат и анализировал процесс возникновения радиоволны и её развитие в свободном пространстве, опираясь на уравнения Максвелла.
Позиции 1887г. приведём к памяти, цитируя труд [6], со ссылками на его страницы и рисунки. §1.VI. Излучение элементарного электрического вибратора и рис. 1.3.VI стр. 133 дают понятие о структуре поля вблизи его поверхности. Копия структуры дана на рис. 1 ,А. Обратимся к рис. 1 ,А. Здесь на оси 2 отложен "элемент длинного провода, обладающего идеальной проводимостью", стр.133. Ток, текущий по электрическому вибратору, обозначен литерой I (по контексту [6] - это ток проводимости). Согласно уравнению Максвелла (2) этот ток вызывает наличие поля Но - тангенциальной составляющей вектора Н. Опять таки в соответствие уравнению Максвелла поле Но вызывает наличие поля Е. Направление всех силовых линий показано стрелками. "Входящие" и "уходящие" следы от магнитных силовых линий поля Н на рис.1,А показаны значками (.) и (+) .
Мощность сосредоточенная в поле Е и поле Н рис. 1. А равна мощности источника колебаний Ро, поступающей во входное сечение элемента провода, по координате 2.
"... поле элементарного вибратора имеет продольную составляющую вектора Е - поле (Еr)". "В ближней зоне преобладают составляющие электрического поля, меняющиеся пропорционально 1/r3 и 1/r2. Эти составляющие характеризуют реактивную (связанную) часть электромагнитного поля. В дальней зоне преобладают составляющие Е и Н, меняющиеся пропорционально 1/r, характеризующие свободно распространяющуюся энергию. При вычислении напряжённости поля в этой зоне можно пренебречь членами, пропорциональными 1/r2 и 1/r3. "... в дальней зоне продольная составляющая вектора Е (Еr) исчезает...", стр. 128,129.
Материал, цитируемый по [6], подвергнем некоторому анализу и систематизации с тем, чтобы его можно было сопоставить с позициями "сегодняшнего дня" - и с открытием нового волнового процесса, (1980) и введение в строй тока iсд (март 2003) [5],[1].
Итак, по версии Г. Герца:
- первым на элементе проводника возникает ток проводимости I;
- за током I - вторым возникает поле Но;
- за полем Но - третьим возникает поле Е;
- есть составляющая поля Еr, которая с ростом r (r - расстояние от начала сферической системы координат до точки наблюдения свободного пространства) "исчезает";
- есть составляющая поля Е/r3;
- есть составляющая поля Е/r2;
- есть составляющая поля Е/r.
Итог по Г. Герцу:
- скорость изменения плотности потока мощности по мере роста r замедляется и приближается ("снизу") к 1/r2 при условии r > ∞
- радиоволна заканчивает своё формирование в "дальней зоне",
где векторы Е и Н становятся (приближаются) и синфазными, и взаимно ортогональными; вектор Пойнтинга формируется вдали от поверхности элемента проводника;
- в "ближней зоне" есть "связанная" с проводником часть электромагнитного поля;
- мощность излучения элемента длинного провода пропорциональна Ро;
- пространственная диаграмма направленности элемента длинного провода есть тороид.
Теперь обратимся к рис.1. В, где схематично изображён тот же самый элемент провода, но уже с токами и полями по версии автора.
Элемент длинного провода - это не точка. Это линия. Поэтому первичный фронт колебательного процесса от линии (пусть даже очень маленькой по сравнению с λ) будет иметь вид волны цилиндрического типа.
Ток, текущий около поверхности вибратора, это ток смещения iсд, созданный зарядами стоячей волны. Магнитное поле Нcт, окружающее вибратор, это магнитное поле, созданное зарядами стоячей волны. Ток iсд и Нcт взаимно ортогональны и синфазны. Они образуют вектор ∏r, ортогональный координате Z. Он уносит энергию волны , отраженной от конца длинного провода, в волне цилиндрического типа за пределы поверхности элемента этого провода сразу и безвозвратно. (Никакой "связанной" энергии здесь не может быть).
Составляющая поля (Еr) отсутствует, а не "исчезает с ростом r". С формированием фронта цилиндрической волны, каждая его точка становится вторичным источником сферической волны в соответствие принципу Гюйгенса - Кирхгофа.
Процесс во времени ширится в пространстве, принимая форму тороида, "родимое пятно" которого видно уже на рис.1. В, если учесть, что фигура в пространстве есть тело вращения вокруг оси Z линий этого рисунка.
В пределах фронта цилиндрической волны поле Е и поле Н, убывают с расстоянием медленно - пропорционально 1/√r. При r > ∞ убывание полей Е и Н ускоряется и стремится к 1/r "сверху". Составляющие поля, изменяющиеся пропорционально 1/r3 и 1/r2, отсутствуют.
Пространственная диаграмма направленности элемента длинного провода есть тороид.
Первопричиной зарождения процесса излучения являются одновременно и ток iсд (поле вида Е=), и поле Нcт. Вектор Пойнтинга появляется около поверхности проводника сразу - происходит сброс энергии за пределы проводника, отражённой от его конца.
Мощность излучения элемента длинного провода пропорциональна Ротр. Очевидно, что структуры полей Е и Н вблизи поверхностей рассматриваемых элементов длинного провода, причины возникновения процессов излучения, пути развития процессов излучения во времени и пространстве и результаты процессов излучения оказываются НЕСОПОСТАВИМЫМИ.
Этот финиш закономерен, ибо несопоставимы по физике процессов рассматриваемые модели электрических вибраторов.
Математическая модель Г. Герца служила человечеству с 1887г. потому, что давала правильный конечный результат расчёта Р∑ для случая стоячей волны (и только стоячей волны), являясь на самом деле ошибочной, не реализуемой природой.
Поле Е радиоволны длинного проводника с промежуточным распределением зарядов нуждается в дополнительном исследовании. Уважаемый О-О, зная взгляды и доводы автора по теме, постарайтесь найти ответы на критические замечания, помещенные в начале статьи. Это и полезно тем, что, отвечая, лучше познаешь вопрос.
К работе [1] добавим, что в ней впервые (март 2003) обнаружены начала того тока смещения iсд (и сам ток iсд), который отвечает за появление именно и только радиоволны. Его целесообразно переименовать в ток смещения iр - ток радиоволны - в соответствие присущего только ему свойства - только ему.
Ток смещения iр объясняет.
1. Суть и характер процесса, называемого стоячей волной.
2. Сокращение в резонансной длине отрезка проводника по отношению к соответствующему значению резонансной доли от длины волны X.
3. Уменьшение доли Ро в Р∑ по мере того, как уменьшается доля Ротр по отношению к Рпад на линейном проводнике, нагруженном на комплексное сопротивление.
4. Позволяет полагать, что в случае одновременного возбуждения на проводнике нескольких колебаний разных по частоте, очерёдность их появления в эфире определяется периодом колебаний, начиная с наименьшего.
Пункт 4 может представлять интерес для исследователей задач излучения и приёма импульсов сверх малой длительности при большой скважности. Нового направления в радиотехнике.
Ток смещения iс Максвелла не объясняет ни одного из пунктов 1-4, что дополнительно подтверждает его непричастность к процессу возникновения радиоволны во всех его проявлениях.
Д. Пойнтинг вывел свой действительно знаменитый вектор случайно, приняв один ток смещения (ток iс) за другой ток смещения (ток iР), (которого в уравнении (2) Максвелла нет), потому, что они, имея одинаковые размерности, оказались "однофамильцами", будучи совершенно различными как генетически, так и функционально.
Автор благодарит за все поступившие критические замечания, которые стимулировали углубиться в понимание сложной и уходящей в "глубь веков" темы: "радиоволны - это что?" и, сообщая свои взгляды, ожидает продолжения дискуссии.
Рис.1 А - Структура поля вблизи элемента провода (электрический вибратор по Г. Герцу) |
Рис.1 В - Структура поля вблизи элемента провода (электрический вибратор по версии автора) |
Литература:
1. Харченко К.П. "Радиоволны - это что?" "Информост'Тадиоэлектроника и телекомуникации", июль - август 2003, № 4(28)
2. Зоммерфельд А. "Электродинамика" М. 1958
3. Лавров Г.А. Князев А.С. "Приземные и подземные антенны" М. 1965
4. Айзенберг Г.З. "Коротковолновые антенны" М. 1962
5. Харченко К.П. "КВ антенны - рупоры без видимых стенок" "РадиоСофт". М. 2003
6. Айзенберг Г.З. "Антенны ультракоротких волн" М. 1957
Информост № 6 (30) 2003 с. 41-45