2.1 Elektri- ja magnetväli

Vaatleme elektromagnetvälja energia levimist piki liini. Hetkel kui ühendame pingeallika liiniga moodustuvad liini pingeallika poolses otsas juhtmetel erineva polaarsusega laengud. See pinge põhjustab juhtmete vahel elektrivälja (väljatugevusega E). Elektriväljas salvestub energia, mis toimib vastu pinge muutumisele. Mahtuvuse mõju pinge muutumisele on kirjeldatav võrrandiga i = C(de/dt), millest nähtub, et tekkiv vool on võrdeline pinge muutumise kiirusele ajas. Järelikult pingeallika lülitamise järel toimib juhtmetevaheline mahtuvus pinge kiirele muutumisele vastu sel viisil, et kondensaator laadub ja laadimisvool tuleb pingeallikast. Võrrandi kohaselt põhjustaks hetkeline pingetõus liinile lülitatud pingeni voolu suurenemise lõpmata suureks.

Teame, et sellises ahelas vool ei saa suureneda lõpmatuseni kuna ahelas on järjestikku induktiivsusest põhjustatud takistus. Igas juhtmes voolava voolu toimel tekib selle ümber vooluga võrdeline magnetväli. Energia salvestub selles magnetväljas (väljatugevus H) ja see energia toimib vastu voolu muutumisele. Juhtme ümber tekib magnetväli kuna seda läbib juhtmetevahelist mahtuvust laadiv vool ja sel viisil alandab pinget vastavalt induktiivsuse võrrandile e = L(di/dt). See pingelangus piirab pinge muutumiskiirust hajutatud mahtuvusel takistades seega voolu suurenemist lõpmata suureks.

Kuna elektronid juhtmetes liiguvad üksteise suhtes peaaegu valguse kiirusega, levib ka pinge ja voolu muutumise laine front piki liini sama kiirusega. Elektri- ja magnetvälja jõujooned on teineteise suhtes risti. Elektrivälja jõujooned asetsevad juhtmetevahelises ruumis (kulgevad ühelt juhtmelt teisele) ja magnetvälja jõujooned on iga juhtme ümber.

Joonis 2.1.1 Sümmeetrilise liini elektromagnetväli

Elektri- ja magnetväli koos, levides sama kiirusega piki juhtmeid moodustavad elektromagnetlaine.

Kogu tee ulatuses on elektrivälja energia W_E võrdne magnetvälja energiaga W_M.

W_E = W_M

Nagu teame on W_E = CU²/2 ja W_M = LI²/2, milles U - pinge, I - vool, C - mahtuvus ja L - induktiivsus.

Magnetvälja energia saab muutuda elektrivälja energiaks ja vastupidi.

Levides piki liini on elektromagnetenergia põhiliselt kontsentreeritud juhtmeid ümbritsevasse ruumi - dielektrikusse. Sel põhjusel, signaalide edastamise korral mööda juhtmeid, on kõrgsagedusliku elektromagnetenergia kandjaks juhtmete ümber olev ruum, mitte aga juhtmed. Juhtmed määravad ära energia edastamise suuna.

Elektromagnetlainet saab esitleda kahe lainena: pingelaine (vastab elektrivälja lainele) ja voolulaine (vastab magnetvälja lainele). Nende kahe laine vahel valitseb ahela igas punktis kindel suhe, mis oleneb ahela parameetritest ja mõõdetakse oomides. Seda suhet nimetatakse lainetakistuseks: Z_C = E/H = U/I.

Elektromagnetlaine edastamisel piki liini on ta ahela igas punktis seotud lainetakistusega.