Електромагнітні хвилі - електромагнітні коливання і хвилі - електродинаміка - все уроки фізики 11

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Як утворюється електромагнітна хвиля

Електричний заряд, що рухається в порожнечі рівномірно, не випромінює енергії. Це випливає з принципу відносності, згідно з яким всі інерціальні системи відліку рівноправні. В системі, що рухається з зарядом, він нерухомий, а нерухомі заряди не випромінюють.

Інша картина виникає в тому випадку, коли заряд під дією зовнішніх сил рухається з прискоренням. Поле має енергію, а значить і масу, образно кажучи, відривається від заряду і випромінюється в простір зі швидкістю світла. Випромінювання відбувається, поки на заряд діє зовнішня сила, що передає йому прискорення.

Тільки заряди, які рухаються з прискоренням, можуть передавати енергію за допомогою створюваного ними електромагнітного поля.

Якщо пропускати через провідник змінний струм, то у провідника періодично буде змінюватися магнітне поле. Змінне магнітне поле створює змінне електричне поле, що, в свою чергу, створює змінне магнітне поле, і т. Ін. Тобто ми спостерігаємо поширення в просторі коливань електромагнітного поля.

Як відомо, поширення в просторі коливань речовини або поля називають хвилею.

Ø Електромагнітна хвиля - це процес поширення в просторі з плином часу вільного електромагнітного поля.

Отже, джерелом електромагнітної хвилі може бути або заряджене тіло, прискорено рухається, або провідник, через який тече змінний струм.

Будь коло змінного струму випромінює енергію. Однак звичайний коливальний контур випромінює вкрай слабо. Це відбувається з двох причин:

1) недостатньо висока частота (інтенсивність випромінювання пропорційна частоті в четвертого ступеня);

2) хвилі, що випромінюються різними ділянками контура, знаходяться в протифазі і гасять один одного.

Ø Контур не випромінює в простір електричну енергію, називають закритим.

Щоб зробити випромінювання більш інтенсивним, потрібно істотно підвищити частоту. Якщо судити по формулі:

то для цього треба зменшити L і C. Віддалення котушки індуктивності і розсування пластин конденсатора призводить до різкого збільшення частоти. Щоб коливальний контур добре випромінював електромагнітні хвилі, необхідно збільшити обсяг простору, в якому утворюється електромагнітне поле. Для цього контур необхідно розгорнути (зробити відкритим), що може бути простішим за все досягти, розставивши пластини конденсатора на максимально можливу відстань.

Саме прямий провідник (вібратор) представляє найпростіший приклад відкритого коливального контуру.

3. Фізичні величини, що характеризують електромагнітну хвилю

Відповідно до теорії Максвелла електромагнітна хвиля переносить енергію. Енергія електромагнітного поля хвилі в цей момент часу змінюється періодично в просторі зі зміною векторів і. Електричне і магнітне поля в електромагнітній хвилі перпендикулярні один до одного, причому кожне з них перпендикулярно до напрямку поширення хвилі.

На малюнку схематично зображено залежність від координат вектора напруженості електричного поля і вектора індукції магнітного поля в електромагнітній хвилі в певний момент часу. У кожній точці простору, крізь який рухається електромагнітна хвиля, модуль вектора напруженості електричного поля пропорційний вектору індукції магнітного поля, а спрямовані ці вектори завжди під прямим кутом один до одного. Гребені хвилі переміщаються в просторі зі швидкістю світла с.

Таким чином, електромагнітна хвиля є поперечною хвилею. Електромагнітна хвиля, як і механічна, характеризується періодом і частотою коливань, довжиною хвилі і швидкістю поширення.

Швидкість поширення електромагнітної хвилі - це відстань, на яке поширюється хвиля за одиницю часу: = s / t.

Швидкість поширення електромагнітної хвилі в вакуумі є постійною і дорівнює швидкості світла у вакуумі: з = 3 · 108 м / с.

Довжина хвилі λ - це відстань, на яке поширюється електромагнітна хвиля за час одного періоду.

Для електромагнітної хвилі в вакуумі період T. частота v і довжина хвилі λ пов'язані співвідношеннями λ = cT = c / v. Протягом одного періоду хвиля проходить відстань, рівну довжині хвилі.

Багато вчених ставили під сумнів правильність теорії електромагнітного поля Максвелла. 1886 Генріх Герц вирішив поставити досвід з метою спростувати теорію Максвелла. Досвід полягав у тому, що у вузькому проміжку незамкнутого контура збуджувалася іскра за допомогою високої напруги.

Вібратор Герца випромінював електромагнітні хвилі переважно в напрямку, перпендикулярному до провідника. Вектор цієї хвилі коливався паралельно до вібратора, а вектор - перпендикулярно до вібратора. У напрямку осі вібратора випромінювання не відбувається.

Необхідно було знайти спосіб виявлення і дослідження електромагнітних хвиль. Герц використовував для цього другий (приймальний) вібратор.

Цей вібратор не приєднуватися до якого джерела високої напруги. Тому коливання в ньому могли виникнути тільки під дією електромагнітної хвилі. Про виникнення коливань могли свідчити крихітні іскри в іскровому проміжку приймального вібратора. Щоб збільшити амплітуду коливань в цьому вибраторе, було використано явище резонансу: власна частота коливань в приймальному вібраторі збіглася з власною частотою коливань у випромінювачі. Схема досвіду Герца показана на малюнку.

Герц не тільки отримав електромагнітні хвилі, а й вивчив їх властивості. Досліди Герца показали, що електромагнітні хвилі відбиваються від провідника, переломлюються на кордоні з діелектриком, можуть інтерферуваті, огинати перешкоди, їх можна поляризувати. При цьому відображення, заломлення, інтерференція і дифракція електромагнітних хвиль відбуваються за тими ж законами, що і для світла. Таким чином, Герц експериментально підтвердив висновок Максвелла про електромагнітну природу світла.

Герц писав: «. описані досліди доводять ідентичність світла, теплових променів і електродинамічного хвильового руху ».

Закріплення ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Горизонтальний провідник, в якому протікає змінний струм високої частоти, розташований уздовж паралелі. В яких напрямках (переважно) поширюються електромагнітні хвилі від цього провідника?

2. Передавальний і приймальний вібратори розташовані взаємно перпендикулярно. Чи виникнуть коливання в приймальному вібраторі?

2). Вчимося вирішувати завдання

1. В деякій точці простору індукція магнітного поля електромагнітної хвилі змінюється від нуля до максимального значення за 2 мкс. Чому дорівнює довжина хвилі?

2. Довжина радіохвилі в вакуумі дорівнює 60 м. За час напруженість електричного поля хвилі зменшиться від максимуму до нуля?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЬ на уроці

• Тільки заряди, що рухаються з прискоренням, можуть передавати енергію опосередковано, за допомогою створюваного ними електромагнітного поля.

• Електромагнітна хвиля - це процес поширення в просторі з плином часу вільного електромагнітного поля.

• Швидкість поширення електромагнітної хвилі - це відстань, на яке поширюється хвиля за одиницю часу:

• Довжина хвилі λ - це відстань, на яке поширюється електромагнітна хвиля за час одного періоду.

• Існування електромагнітних хвиль було передбачено Максвеллом. Для перевірки цієї теорії Г. Герц використав відкритий коливальний контур (вібратор), що дозволило переконатися в правильності висновків теорії.

• Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою:

1. Подр-1: § 34; підр-2: § 17 (п. 2).

2. Зб. № 12.18; 12.19; 12.23; 12.25.