Полная версия

Главная arrow Техника arrow ВВЕДЕНИЕ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКУ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Дифракция электромагнитных волн

Дифракция (лат. сИДгасШБ - разломанный) - явление, которое можно рассматривать как отклонение света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени.

Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина - система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос. Характер картины свидетельствует от тесной связи дифракции с явлением интерференции.

В современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн и проявляющихся в преобразовании пространственной структуры волн. Подобные изменения наблюдаются не только в классических условиях, но и в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве пучков волн.

Оптические дифракционные явления были хорошо известны еще во времена И. Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано Т. Юнгом. Независимо от него О. Френель[1] развил количественную теорию дифракционных явлений (1818 г.). В основу теории О. Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн.

Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последовательные моменты времени, то есть определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса о огибающей вторичных волн О. Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. Принцип Гюйгенса-Френеля представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил её справедливость[2]. Воспользуемся этим принципом и нашими предоставлениями о гармонических колебаниях для выяснения сути явления дифракции.

Рассмотрим дифракцию волны на отверстии в экране диаметром О. Геометрия задачи показана рис. 5.10. В точке наблюдения с координатами находящейся в области тени,

надо сложить вторичные волны, возникающие в плоскости отверстия. Воспользуемся для этого векторной диаграммой. Ради простоты ограничимся сложением пяти вторичных волн.

Дифракции на отверстии

Рис. 5.10. Дифракции на отверстии

На рис. 5.11 изображена векторная диаграмма, иллюстрирующая сложения пяти вторичных волн. Поскольку на самом деле число вторичных волн бесконечно, то ломаная линия превращается в плавную кривую.

Векторная диаграмма, поясняющая явление дифракции

Рис. 5.11. Векторная диаграмма, поясняющая явление дифракции

Приведенный пример показывает, что в общем случае поле в области тени не равно нулю, что и составляет физическую сущность явления дифракции. При некоторых соотношениях между й,х,2 и X векторная сумма может обращаться в нуль, а при других - достигать максимума. Это и означает, что в пространстве тени возникает чередование светлых и темных областей.

Оценим положение точки (г00), в которой амплитуда

волны равна нулю. Для оценки нам достаточно сложить две вторичные волны, выходящие с краев отверстия. Эти волны будут давать в сумме нуль, если разность хода ДА будет равна (А' н- 0,5) Л,. Ограничимся определением первого нуля, для которого ДА = А./2 . Согласно рис. 5.10 разность хода ДА равна

Найдем ДА на очень большом удалении от экрана, где г » О и г з> .V. В этом случае

а положение точки, в которой

Координату х0 можно принять за границу первой светлой зоны. Таким образом, дифракция увеличивает сечение волнового пучка. Отношение х0 к г дает оценку дифракционной расходимости пучка <рДИф

Хорошо видно, что дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неодпородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. Наиболее сильно они проявляются при размерах неоднородностей, сравнимых с длиной волны. При размерах неоднородностей существенно превышающих длину волны (на 2>-4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. В последнем случае распространение волн с достаточной степенью точности описывается законами геометрической оптики, о которой шла речь в школьном курсе физики, и которая согласуется с нашим повседневным опытом.

Теперь вы сможете оценить, например, размер светового пятна на поверхности Луны (1 * 380000 км), возникающего при её облучении лазером (/)«1см, Х»0,6мкм)'. А каков будет размер пятна при использовании антенны диаметром 60 м, излучающей радиоволну с X » 3 см?

Как видите, электромагнитные поля проявляют себя самыми разнообразными физическими явлениями.

Поскольку радиоволны и волны оптического диапазона широко используются для передачи информации, радиоинженер должен хорошо знать физику волновых процессов и владеть навыками решения математических задач, связанных с передачей информации по каналам связи. Курсы математики и физики существенно расширят ваши знания в этих областях.

  • [1] Огюстен Жан Френель(фр. Augustin-Jean Fresnel, 1788-1827) - французскийфизик, один из создателей волновой теории света. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, размещенный на 1 -ом этаже Эйфелевой башни.
  • [2] Любая физическая теория являются гипотезой. Экспериментальное подтверждение положений теории открывает путь к се широкому использованию. И тогда гипотеза приобретает статус физического закона.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>