ВОЛНОВОД, раздел «Физик»

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Волноводом называют канал, по которому распространяются волны той или иной природы. В зависимости от типа распространяющихся волн волноводами могут быть трубы, стержни, струны — для звуковых волн (см. Звук), системы линз и стеклянные трубки — для света, диэлектрические стержни и металлические трубы определенных сечений — для электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ).

Простейший акустический волновод — это, например, «поющая труба»: при распространении по водопроводной трубе звуковой волны дребезжание раздается во всех квартирах, связанных одним водопроводным стояком. Зная, что скорость звука в воде составляет около 1500 м/с, и оценивая частоту слышимой обычно звуковой волны примерно в 500 Гц, можно найти, что соответствующая длина волны намного превышает диаметр водопроводной трубы и поэтому волна, идущая по трубе, является одномерной. Еще один пример волновода с одномерным распространением звуковой волны — переговорные трубки на судах.

Однако наличие резкой границы между внутренней и внешней средами оказывается совершенно необязательным условием для передачи акустической волны на большие расстояния. Акустический волновод может возникнуть и в средах, между которыми имеется плавный (а не резкий) переход в свойствах распространения звука. Примерами таких волноводов в гигантских масштабах могут служить атмосфера, океан.

В океане плотность и температура воды меняются с глубиной таким образом, что скорость звука на некоторой глубине оказывается минимальной. Звуковые волны, подобно световым, могут претерпевать полное внутреннее отражение при переходе из среды с меньшей в среду с большей скоростью звука. Поэтому вблизи глубины, где скорость звука минимальна, может образоваться волновод, по которому звуковые волны будут распространяться на сотни и тысячи километров.

При определенных условиях на столь же большие расстояния могут переноситься и изображения различных предметов в атмосфере — так называемые сверхдальние миражи. По-видимому, это явление обусловлено неоднородностью показателя преломления воздуха и возникновением благодаря этому в атмосфере гигантских светопроводов. Возможно также, что роль своеобразной границы такого светопровода играет ионосфера (слои ионизированных газов на высоте ~100 км), которая может отражать световые волны.

Огромное развитие в последнее время получили волноводы в оптике. До недавнего времени использовались только линзовые световоды, в которых луч распространялся по трубе, где через каждые 50—100 м его расхождение корректировалось собирающей линзой. Начиная с 1950-х гг. стала бурно развиваться новая область — волоконная оптика. Волоконный световод представляет собой тончайшую стеклянную нить с сердцевиной радиуса r~1÷10 мкм, с коэффициентом преломления N и оболочкой радиуса R~10÷100 мкм, с коэффициентом преломления n<N. При прохождении светового луча по такой системе он испытывает полное внутреннее отражение на границе между сердцевиной и оболочкой и распространяется вдоль нити. Из множества таких нитей набираются кабели, которые находят широкое применение в самых различных областях науки и техники. Так, в медицине с помощью гибких волоконных световодов врачам удается осветить и визуально изучить поверхности внутренних органов, которые ранее были совершенно недоступны непосредственному исследованию.

Световоды используются и при конструировании современных электронных вычислительных машин. Обеспечивая связь между различными устройствами, они помогают освободить ЭВМ от обилия электрических проводов, которые неизбежно наводят посторонние сигналы. Ученые рассчитывают, что вскоре световоды придут на смену и кабелям связи, а это коренным образом изменит способы передачи информации на дальние расстояния.

В радиолокации, сверхвысокочастотной электронике и других областях техники решается важная проблема передачи электромагнитных волн большой мощности в сверхвысокочастотном диапазоне с одного места в другое, например от передатчика к антенне и наоборот. Для этой цели используются радиоволноводы, представляющие собой диэлектрические каналы, обычно цилиндрической формы; их боковая поверхность служит границей раздела двух сред, и при переходе через нее резко меняются диэлектрическая (ε) или магнитная (μ) проницаемость и электропроводность. Характерные длины волн, обычно передаваемые посредством радиоволноводов, составляют десятки сантиметров.