Механизм распространения электромагнитного импульса вдоль проводов

Представим двухпроводную линию, неограниченно простирающуюся в обе стороны, и положим, что источник переменного тока создает в какой-либо точке линии 0 (рис. 2) электрическое поле Е. Опыт показывает, что электрическое поле распространяется вдоль линии. Каков же механизм распространения поля?

Рис.2

Способ передачи электрического поля заключается в возникновения токов проводимости. Однако наряду с этим существует и другой процесс передачи поля, который в очень многих явлениях играет главную роль. Он был открыт Максвеллом и состоит в распространении электромагнитных волн.

Рассмотрим это явление качественно. По теории Максвелла изменяющееся электрическое поле вызывает появление магнитного поля. Величина и направление этого магнитного поля соответствуют полю, созданному током с плотностью

(принято ε =1). Так как вектор  иногда называют электрическим смещением, то величина  названа плотностью тока смещения. Несмотря на то, что  не связана с движением электрических зарядов, ее называют плотностью "тока", так как она имеет характерное свойство тока - способность порождать магнитное поле.

Пусть поле  увеличивается, т.е.  и направление тока смещения i совпадает с направлением . Применяя правило буравчика, находим, что магнитное поле  направлено так, как показано на рис.2.

Согласно теории Максвелла изменяющееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля. Поэтому в следующий момент времени возникает электрическое поле . Оно будет направлено так же, как индукционный ток, который возник бы в замкнутом проводнике под действием возрастающего поля  (рис.2). Возрастающее электрическое поле  вызовет появление магнитного поля . Из рис.2 видно, что поле  в точке 0 направлено противоположно полю , а значит, будет уничтожать это поле, a  - будет уничтожать поле . Поэтому первоначальное поле  и вызванное им поле  исчезнут, но зато появятся поля  и  в соседней точке линии I (рис.3). Дальше - аналогично. Возрастающее поле  вызовет появление вихревого электрического поля , а оно, увеличиваясь, приведет к возникновению магнитного поля . Поля  и  уничтожают поля  и  в точке 1 и появляются в соседней точке 2, еще более удаленной от первоначального возмущения (рис.3).

Поэтому электрические и магнитные поля, взаимно превращаясь и поддерживая друг друга, будут распространяться вдоль линии. Этот процесс подобен распространению механического импульса вдоль резинового шнура или струны и поэтому называется распространением электромагнитного импульса.

Рис. 3

Из рис.2 видно, что направления полей  и  перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны . ^ ^ , т.е. эти три вектора связаны правилом буравчика.

Таким образом, существуют два различных способа передачи поля: с помощью токов проводимости и при помощи токов смещения (электромагнитных волн). Если быстрота изменения полей мала (малые частоты), то токами смещения можно пренебречь по сравнению с токами проводимости. В этом случае электрические явления существенно зависят от сопротивления линии. Если же поля изменяются быстро (большие частоты), то основную роль играют токи смещения. При этом основные процессы происходят между проводами в окружающей среде, и электрические явления практически не зависят от свойств материала проводов.