Электрический импульс и импульсный ток

Электрическим импульсом назовем кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока.

В технике импульсы подразделяются на две большие группы: видео- и радиоимпульсы.

Видеоимпульсы — это такие электрические импульсы тока или напряжения, которые имеют постоянную составляющую, отличную от нуля. Таким образом, видеоимпульс имеет преимущественно одну полярность. По форме видеоимпульсы бывают (рис. 14.12): а) прямоугольные; б) пилообразные; в) трапециедальные; г) экспоненциальные; д) колоколообразные и др.

Радиоимпульсы — это модулированные электромагнитные колебания (рис. 14.13).

В физиологии термином «электрический импульс», или «электрический сигнал», обозначают именно видеоимпульсы, поэтому рассмотрим параметры этих импульсов, оценивающие их форму, длительность и свойства отдельных участков.

Характерными участками импульса (рис. 14.14) являются: 1 — 2 — фронт, 2 —3 — вершина, 3— 4 — срез (или задний фронт), 4 — 5 — хвост. Импульс, изображенный на этом рисунке, очень схематичен. У него четко определены моменты начала t₁ перехода от фронта к вершине t₂ и конца импульса t₃. В реальном сигнале (импульсе) эти времена размыты (рис. 14.15), поэтому их экспериментальное определение может внести существенную погрешность.

Для уменьшения возможной погрешности условились выделять моменты времени, при которых напряжение (или сила тока) имеет значения 0,1 U_m и 0,9 U_m, где U_m — амплитуда, т. е. наибольшее значение импульса (рис. 14.15). На этом же рисунке показаны: τ_ф — длительность фронта; τ_ср — длительность среза и τ_и — длительность

называют крутизной фронта.

Повторяющиеся импульсы называют импульсным током. Он характеризуется периодом (периодом повторения импульсов) Т — средним временем между началами соседних импульсов (рис. 14.16) и частотой (частотой повторения импульсов) f = 1/Т. Скважностью следования импульсов называется отношение:

Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения:

Электромагнитные волны

Обобщая результаты опытов X. К. Эрстеда по воздействию электрического тока на магнитную стрелку, опытов Фарадея по электромагнитной индукции и других фактов, Максвелл создал в рамках классической физики теорию электромагнитного поля.

В основе теории Максвелла лежат два положения: а) всякое переменное электрическое поле порождает магнитное и б) всякое переменное магнитное поле порождает электрическое (явление электромагнитной индукции).

Взаимное образование электрических и магнитных полей приводит к понятию электромагнитной волны — распространение единого электромагнитного поля в пространстве.

Если распространение плоской механической волны описывалось одним уравнением (5.48), то распространение плоской электромагнитной волны описывается двумя уравнениями — соответственно для электрической и магнитной компонент единого электромагнитного поля:

здесь Е и В соответственно напряженность электрического поля и магнитная индукция, Е_т и В_т — их амплитудные значения.

Векторы Е, В и v (скорость распространения волны) взаимно перпендикулярны (см. рис. 14.17).

В теории Максвелла было получено выражение для скорости распространения электромагнитной волны

уме, е и ц — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости, б₀и ц₀ — соответственно электрическая и магнитная постоянные.

Таким образом, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Это послужило основанием для создания Максвеллом электромагнитной теории света.

Сопоставляя (14.52) и выражение для показателя преломления п = c/v, можно установить связь между п и диэлектрической и магнитной проницаемостями:

Объемная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объемных плотностей энергии

электрического (12.46) и магнитного(13.8) полей:

Плотность потока энергии волн (интенсивность волны) получим из общей формулы (5.54), подставляя в нее (14.58) и (14.52):

Из (14.56) можно получить выражение, если подставить это выражение в (14.59), то получим:

Как видно, интенсивность электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля. Заметим, что аналогичная связь между интенсивностью и амплитудой существует и для механических волн [см. (5.56)].