Большая советсткая энциклопедия Электромагнитные колебания

Электромагнитные колебания

Электромагнитные колебания, 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 = 2pс/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 = пpс/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.