Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы — электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет.
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.
Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме.
Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.
Электромагнитная волна – переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве.
По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.
Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве.
Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Экспериментально электромагнитные волны были получены в 1887 г. в Берлинском университете Г.Герцем. Источником возмущения электромагнитного поля являлись колебания в высоковольтном искровом разряднике - вибраторе Герца, представляющим из себя прямолинейный проводник в воздушным промежутком посередине, обладающий свойствами колебательного контура. Вибратор можно рассматривать, как открытый колебательный контур.
Высокое напряжение, подаваемое на вибратор, вызывало возникновение в нем искрового разряда. Спустя мгновение искровой разряд возникал в воздушном промежутке аналогичного вибратора (резонатора), замкнутого накоротко и расположенного на расстоянии в несколько метров от вибратора.
Объяснение результатов опытов Герца оказалось возможным с помощью теории Максвелла.
Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом.
Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.
Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения.
При прохождении границы раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются. От поверхности диэлектрика не отражаются, от металлов отражаются практически полностью.
При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Явление дифракции электромагнитных волн, т.е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие.
Электромагнитные волны способны к интерференции.
Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят.
(Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.)
Электромагнитные волны обладают дисперсией, т.е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты.
Электромагнитные волны обладают свойствами интерференции (опыт Герца), дифракции (алюминиевая пластинка), поляризации (сетка).
Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой.
Возникающая и распространяющаяся в пространстве электромагнитная волна является поперечной: направление векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.
С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета.
Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.
Из опытов с интерференцией была установлена скорость распространения электромагнитных волн, составившая приблизительно 3*108 м/с.
Так как сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, то электромагнитная волна возникает, если скорость движения заряженных частиц зависит от времени.
Излучение электромагнитных волн возникает при укоренном движении электрических зарядов.
Электрическое поле действует на частицу. Частица получает ускорение a ~ E. Рассматривая процесс в обратном направлении, можно утверждать, что напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне пропорционально ускорению излучающей заряженной частицы:
E ~ a
Выясним, как энергия излучения зависит от ее ускорения.
Ускорение заряженной частицы под действием поля определяется из второго закона Ньютона:
a = =
где q – заряд частицы, m – масса частицы
Объемная плотность энергии в электромагнитной волне складывается из объемных энергий электрического и магнитного полей, равных друг другу в любой момент времени:
ωэм = ωэ + ωм = 2ωэ
Учитывая, что для электрического поля ωэ = :
ωэм = εε0E2 , в вакууме ωэм = ε0E2
Энергия излучаемой электромагнитной волны пропорциональна квадрату ускорения излучающей частицы:
E ~ a ; ωэ ~ E2 Þ ωэ ~ a2
Плотность энергии электрической и магнитной компоненты равны между собой:
= Þ E2 – v2B2 = 0
ДОБАВИТЬ ПРО ЭНЕРГИЮ ВОЛНЫ
ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Радиоволны - от 10-6 до 5*104 м .
Длины от 10-6 м до 780 нм – инфракрасные волны.
Видимый свет – от 780 нм до 400 нм.
Ультрафиолетовое излучение – от 400 до 10 нм.
Рентгеновское излучение - от 10 нм до 10 пм.
Меньшим длинам волны соответствует гамма-излучение.
Чем меньше длина волны (следовательно, выше частота) тем меньше волны поглощаются средой.
Радиоволны впервые открыты Герцем в 1886 г.
Источником радиоволн, так же как и волн звуковых частот, является переменный ток.
Большая частота радиоволн по сравнению с волнами звуковых частот приводит к заметному излучению радиоволн в окружающую среду. Это позволяет использовать их для передачи информации на значительное расстояние (радиовещание, телевидение, радиолокация)
Сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, или микроволновое излучение – 109-3*1011Гц, λ = 1 мм – 0.3 м
Источник СВЧ-излучения – изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества.
Учитывая «прозрачность» атмосферы в этом диапазоне, СВЧ-излучение используют для космической связи. Используется в микроволновых печах.
Инфракрасное (ИК) излучение – 3*1011-3.85*1014Гц, λ = 780 нм – 1 мм
ИК-излучение было открыто в 1800 г. английским астрономом Уильямом Гершелем.
Он обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, назвали «инфракрасным»
Источником ИК-излучения являются колебание и вращение молекул вещества, поэтому ИК-волны излучают нагретые тела, молекулы которых движутся особенно интенсивно.
Часто ИК-излучение называют тепловым.
Видимый свет – λ = 380-780 нм, 3.85*1014-7.89*1014 Гц (достаточно узкий диапазон)
Источников видимого света являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся ускоренно.
Излучения разной длины волны (частоты) оказывают различное физиологическое воздействие на глаз, вызывая психологическое ощущение цвета.
Цвет – не свойство электромагнитной световой волны, а проявление ее электрохимического действия на физиологическую систему человека.
Видимый свет может влиять на протекание химических процессов в растениях (фотосинтез) и организмах животных и человека.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение – 8*1014-3*1016Гц, λ = 10-380 нм
УФ-излучение открыто в 1801 г. немецким ученым Иоганном Риттером.
Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, он обнаружил, что серебро чернеет сильнее в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение было названо ультрафиолетовым.
Источник ультрафиолетового излучения – валентные электроны атомов и молекул, а также ускоренно движущиеся свободные заряды.
В малых дозах УФ-излучение активизирует синтез в организме человека витамина D и вызывает загар.
Большие дозы могут вызвать ожоги и раковые заболевания, ослабляет иммунную систему, способствует развитию некоторых заболеваний.
УФ-излучение с λ < 300 нм деполимеризует нуклеиновые кислоты и разрушает протеины, нарушая жизненные процессы в организме. В малых дозах оно обладает бактерицидным действием.
Озоновый слой Земли сильно поглощает УФ-излучение с λ < 320 нм, а кислород воздуха – коротковолновое УФ-излучение с λ < 185 нм.
Оконное стекло, содержащее оксид железа, практически полностью поглощает УФ-излучение
Человек не видит УФ-излучение, так как роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают его.
Рентгеновское излучение – 3*1016-3*1020, λ = 10-12-10-8 м
Открыто в 1895 г. немецким физиком В.Рентгеном. Изучая ускоренное движение заряженных частиц в закрытой черным картоном трубке, Рентген обнаружил свечение экрана, покрытого солью бария, находящегося на некотором расстоянии от трубки.
Излучение высокой проникающей способности, испускаемое частицами в трубке, проходящее в отличие от ИК и УФ-излучения через картон, Рентген назвал X-лучами.
Источником рентгеновского излучения является изменение состояния электронов внутриатомных оболочек атомов и молекул, а также ускоренное движущиеся свободные электроны.
Благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение широко примеряется в диагностической технике.
Большая доза рентгеновского облучения приводит к ожогам и изменению структуры крови человека.
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
См.выше «Электромагнитные волны»
ДОПОЛНИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА
ОПЫТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТИ
В бегущей гармонической электромагнитной волне напряженность электрического поля и индукция магнитного поля изменяются по гармоническому закону:
E = E0 sin (wt) B = B0 sin (wt)
Рассмотрим, как распространяется в пространстве вдоль оси Х напряженность электрического поля. Будем считать, что скорость распространения возмущения равна v.
Начальное возмущение (t = 0 , E = 0) через время τ распространяется со скоростью v на расстояние v τ.
Расстояние в пространстве между точками волны, колеблющимися в одинаковой фазе, оказывается равным vT и характеризует длину электромагнитной волны.
Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника.
При постоянной скорости распространения волны за период она проходит расстояние:
λ = vT =
В произвольной точке с координатой х напряженность электрического поля в момент t та же, что и в точке х0 в более ранний момент времени (t – x/v) Время x/v для распространения волны между этими точками.
Уравнение бегущей гармонической волны напряженности электрического поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v (учитывая, что E = E0 sin (wt), B = B0 sin (wt)):
E = E0 sin [ w(t - ) ]
Индукция магнитного поля в электромагнитной волне изменяется во времени и пространстве синхронно с напряженностью электрического поля.
Уравнение бегущей гармонической волны индукции магнитного поля поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v:
B = B0 sin [ w(t - ) ]
В общем случае скорость электромагнитной волны в произвольной среде вычисляется по формуле:
v = УТОЧНИТЬ ФОРМУЛУ
СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВОЛН
Поляризация волны
Фронт волны
В поляризованной электромагнитной волне колебания вектора напряженности электрического поля упорядочены.
Плоскополяризованная (или линейно-поляризованная) электромагнитная волна – волна, в которой вектор , и следовательно, колеблются только в одном направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Плоскость поляризации электромагнитной волны – плоскость, проходящая через направление колебаний вектора напряженности электрического поля и направление распространения волны.
Напряженность электрического поля и индукция магнитного принимают определенные значения в момент времени t в точках с координатой х, для которых фаза φ синуса в выражениях E = E0 sin [ w(t - ) ] и B = B0 sin [ w(t - ) ] постоянна:
φ = w(t - ) = const
Геометрическим местом точек, имеющих определенную координату х, является плоскость, проходящая через эту точку параллельно плоскости YZ.
В этой плоскости, называемой фронтом волны, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля принимают определенное значение, т.е. имеют одинаковую фазу.
Фронт электромагнитной волны – поверхность постоянной фазы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.
Если фронтом волны является плоскость, то волна – плоская.
Направление распространения фронта волны характеризует луч.
Луч – линия, вектор касательной к которой, перпендикулярен фронту волны и направлен в сторону переноса энергии волны в данной точке.
На большом расстоянии от источника излучения фронт произвольной электромагнитной волны становится плоским.
ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
Перенос энергии электромагнитной волной
Поток энергии
Плотность потока энергии
Интенсивность волны
Зависимость энергии электромагнитной волны от расстояния до источника и его интенсивности
Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля.
Скорость переноса энергии через площадь S в момент времени t характеризует поток энергии электромагнитной волны.
Поток энергии электромагнитной волны – энергия электромагнитного излучения, проходящего в единицу времени сквозь поверхность площадью S:
ΦW = Pэм =
Плотность потока энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны:
= =
Объем параллелепипеда DV = ScDt.
Энергия электромагнитного поля внутри него равна произведению плотности энергии на объем:
DW = wэм DV = wэм ScDt
Тогда плотность потока излучения (учитывая, что wэм = ε0E2):
= wэм c = ε0E2c
Учитывая, что напряженность электрического поля в электромагнитной волне зависит от времени (например, по гармоническому закону) перенос мощности характеризует величина, усредненная по времени – интенсивность волны.
Интенсивность электромагнитной волны – среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны:
I = = wэм c = cε0
Единица измерения – Вт/м2
Для гармонических электромагнитных колебаний с амплитудой E0, так же как и для действующего значения переменного тока: =
I = cε0 = cε0E02
Интенсивность гармонической электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля.
Найдем зависимость интенсивности излучения точечного источника от расстояния до него. Будем считать, что такой источник излучает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В вакууме мощность волны не поглощается.
С течением времени волна проходит через все большие концентрические сферические поверхности.
Средняя энергия, переносимая в перпендикулярном направлении сквозь единицу площади в единицу времени (интенсивность волны) уменьшается по мере удаления от источника.
Средняя мощность электромагнитного излучения со сферической поверхности источника радиусом rи:
Pи = Iи 4π rи2
где Iи – интенсивность излучения с поверхности источника площадью S0 = 4π rи2
В результате распространения излучения источника в пространстве сквозь сферическую поверхность радиуса r проходит та же средняя мощность электромагнитной волны:
Pэм = I 4π rи2
где I – интенсивность излучения источника на расстоянии r от него
Поскольку мощности равны:
I = Iи или I ~
Интенсивность излучения точечного источник убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.
I = cε0 = cε0E02 ; I ~ Þ E0 ~
В отличие от напряженности электрического поля точечного заряда, резко убывающей с расстоянием по закону обратных квадратов, напряженность электрического поля в электромагнитной волне, созданной точечным зарядом, убывает с расстоянием более медленно (обратно пропорционально) Благодаря этому электромагнитные волны передаются в вакууме на большие расстояния, обеспечивая возможность радиосвязи.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54
