Доклад на тему электромагнитные волны
Из закона Фарадея следует, что любое изменение потока магнитной индукции приводит к возникновению ЭДС индукции и индукционнго тока (при наличии замкнутого контура). Выходит, что сторонние силы действуют на неподвижные заряды (значит, это не сила Лоренца) и заставляют их начать движение.
Максвелл высказал гипотезу, что переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь является причиной возникновения электрического тока. Таким образом, наличие проводящего контура является всего лишь индикатором, обнаруживающим переменное электрическое поле. Такое электрическое поле называется вихревым .
Переменное магнитное поле
Начинаются на положительных зарядах, заканчиваются на отрицательных
Непотенциально — работа поля по замкнутому контуру равна ЭДС индукции
Потенциально — работа поля по замкнутому контуру равна нулю
Электромагнитное поле — совокупность порождающих друг друга электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:
- проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;
- распространяется с большой, но конечной скоростью;
- существует независимо от нашей воли и желаний.
При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Электромагнитные волны — это такие электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, которая зависит от свойства среды. Иными словами можно сказать, что электромагнитной волной называют распространяющееся в пространстве электромагнитное поле или электромагнитное возмущение.
Свойства электромагнитных волн
1. Электромагнитные волны поперечны – векторы E и B перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны
2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью
Величина, показывающая, во сколько раз скорость электромагнитной волны в веществе меньше скорости в вакууме, называется абсолютным показателем преломления среды
3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно. Поэтому равны объемные плотности энергии
Следовательно, модуль вектора индукции магнитного поля и модуль напряженности электрического поля связаны соотношением
4. Электромагнитные волны переносят энергию
Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:
Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн
Для создания электромагнитной волны необходимо создать в пространстве систему быстро меняющихся электрических и магнитных полей. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля (и наоборот). Колебания достаточно высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Для того, чтобы частота была больше, необходимо уменьшить индуктивность и емкость контура:
Таким условиям отвечает открытый колебательный контур :
- Для уменьшения емкости С необходимо увеличить расстояние между пластинами и уменьшить площадь пластин. Самая маленькая емкость — это простой провод.
- Для того чтобы снизить индуктивность L необходимо уменьшить количество витков в катушке. В результате выходит обычный провод, который получил название открытого колебательного контура.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал устройство, называемое сейчас вибратор Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
Схема опыта Герца
Первоначально вибратор представлял собой два соосных медных стержня диаметром 5 мм и длиной по 1,3 м; на концах стержней были насажены по одному латунному маленькому (диаметром 3 см) шарику и по одной большой цинковой сфере или полусфере (диаметром 30 см) либо квадратной пластине. Между маленькими шариками оставался искровой промежуток в 7. 7,5 мм. К медным стержням вблизи маленьких шариков были прикреплены обмотки катушки Румкорфа — преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения.
При импульсах постоянного тока, вследствие действия прерывателя, в гальванической цепи вторичной обмотки катушки между шариками проскакивали искры и в окружающую среду излучались электромагнитные волны. Перемещением больших сфер (или пластин) вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие частоты колебаний (и соответственно длины волн) согласно формуле Томсона.
Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц сделал простой резонатор, представляющий собой проволочное незамкнутое кольцо диаметром 70 см или прямоугольную незамкнутую рамку 125х80 см, также с латунными шариками на концах и также с малым искровым регулируемым промежутком.
Вибратор и резонатор Герца поражают своей остроумной простотой и высокой эффективностью. Изменяя размеры и положение резонатора, ученый настраивал его на частоту колебаний вибратора. В разряднике резонатора проскакивали маленькие искры в те самые моменты, когда происходили разряды между шариками вибратора. Интенсивность искрообразования была очень мала и наблюдения приходилось вести в темноте.
Экспериментальное подтверждение свойств электромагнитных волн
Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.
При расположении цинкового экрана в точке пересечения оптических осей, когда перпендикуляр к его поверхности совпадал с биссектрисой угла, возникало искрообразование. Аналогичные результаты получались при замене сплошного экрана проволочной решеткой. Опыты показали, что отражение электромагнитных волн происходит по тем же законам, что и отражение света, как это и следует из теории Максвелла.
Для изучения вопроса о преломлении электромагнитных волн Герц изготовил асфальтовую призму высотой 1,5 м весом в 1,2 т с поперечным сечением в виде равнобедренного треугольника со сторонами 1,2 м. Призма образовывала преломляющий угол 30°. Помещение призмы между зеркалами, стоящими одно против другого, вызывало полное прекращение искры в резонаторе. Искрообразование восстанавливалось при перемещении приемного зеркала на угол 22° по направлению к основанию призмы. Вычисленный коэффициент преломления асфальта 1,69 был близок к истинному значению.
Поперечность электромагнитных волн
Колебания напряженности электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определенной плоскости, а колебания вектора магнитной индукции — поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.
Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических проволочек. Решетку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошному металлическому листу. Когда же E перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.
Интерференция электромагнитных волн
На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приемник располагают друг против друга. Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.
Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечетному числу полуволн. Можно наблюдать также дифракцию электромагнитных волн.
Информация о материале Просмотров: 18158
- Вы здесь:
- Главная
- 11 класс
- Физика
- Электромагнитные волны
X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018
Вокруг нас существует сложный мир электромагнитных полей: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, СВЧ-печей, телевизоров, других электробытовых приборов. Все эти изобретения стали возможными благодаря предсказаниям Максвелла [6], который смог увидеть связь между электромагнетизмом, открытым Фарадеем [8], и светом. В 1873 году вышла двухтомная работа Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». В трактате подведён итог развитию учения об электрических и магнитных явлениях, создана единая теория электромагнитного излучения и учение о свете как электромагнитных волнах.
Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет – это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.
Открытие электромагнитных волн – замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нём видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства – электричество и магнетизм, – обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления – электромагнитного взаимодействия.
На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия [10], которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и объединяющая теория – квантовая хромодинамика [4] – которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия.
Всё вышеизложенное подтверждает актуальность данной темы.
1. Понятие «волна»
Для того, что лучше понять сущность и свойства электромагнитных волн, кратко ознакомимся с понятием «волна».
Волна – изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».
Перенос энергии – принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии (рис.1).
Рис. 1 – Отличие колебания от волны
Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»). В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.
Важнейшей характеристикой волны является её скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.
При распространении механической волны движение передаётся от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии.
Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания, например, начала шнура, струны и т.д., и распространяется вместе с волной. Так, волны расходятся от камня, брошенного в пруд, и представляют собой колебания уровня воды, расходящиеся от места падения концентрическими кругами.
Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук тоже является волной – колебаниями давления воздуха, распространяющимися во все стороны от источника звука, например, свистка. То есть большинство волн – это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).
Однако, имеются волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. Колебательные перемещения электрического заряда тоже вызывают волны изменений электрического и магнитного полей.
Действительно, эти колебания заряда сначала приведут к периодическим изменениям электрического поля вокруг, которые в свою очередь, согласно гипотезе Максвелла, вызовут появление переменного магнитного поля той же частоты. При этом возникшее магнитное поле будет выходить за пределы породивших его колебаний электрического заряда. Потом, изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызовет электрическое ещё на большем расстоянии от колеблющегося заряда и т.д.
Таким образом, колебательные перемещения электрического заряда приводят к возникновению распространяющихся в пространстве волн колебаний электрического и магнитного полей. Такие волны называют электромагнитными.
2. Электромагнитные волны и их свойства
2.1 Электромагнитные волны
Электромагнитные волныпредставляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.
Как уже было отмечено выше, существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж.Максвеллом в 1864 году. Он проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он ввёл в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.: всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.
Была высказана гипотеза о существовании и обратного процесса: изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Максвелл впервые описывал динамику новой формы материи – электромагнитного поля, и вывел систему уравнений (уравнений Максвелла), связывающую характеристики электромагнитного поля с его источниками – электрическими зарядами и токами. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей.
Рисунок 2, а и б иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.
Рис. 2 – Взаимное превращение электрического и магнитного полей:
а) Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла;
б) Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле
Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчёта. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчёта, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчёта и порождать в этой системе отсчёта, кроме электрического, ещё и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.
Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис. 3. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.
Рис. 3 – Процесс распространения электромагнитного поля
Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на её основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т.е. систему уравнений электромагнитного поля.
Итак, из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов – основных свойств электромагнитных волн.
Существуют электромагнитные волны, т.е. распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.
В природе электрические и магнитные явления выступают какдве стороны единого процесса.
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. Наличие ускорения – главное условие излучения электромагнитных волн, т.е.
— всякое изменение магнитного поля создаёт в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис. 2,а).
— всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряжённости переменного электрического поля, и охватывают их (рис. 2,б).
Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором «правый винт».
Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 4).
Рис. 4 – Поперечные электромагнитные волны
Периодические изменения электрического поля (вектора напряжённости Е) порождают изменяющееся магнитное поле (вектор индукции В), которое в свою очередь порождает изменяющееся электрическое поле. Колебания векторов Еи В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны (вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми.
Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, и это ещё раз подтвердило справедливость теории близкодействия.
Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.
Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях и твёрдых средах, но и в вакууме.
Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.
Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет собой непрерывное поглощение и переизлучение электромагнитной энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости волны.
Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 4), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечёт энергия ΔWэм, равная
ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.
При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.
Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено резонансным поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.
Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).
Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракцияволн, рассеяниеволн и другие явления.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа.
Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены выдающимся физиком Московского университета П.Н. Лебедевым в 1900 г. [5]. Обнаружение столь малого эффекта потребовало от него незаурядной изобретательности и мастерства в постановке и проведении эксперимента. В 1900 г. ему удалось измерить световое давление на твёрдые тела, а в 1910 г. – на газы. Основную часть прибора П.Н. Лебедева для измерения давления света составляли лёгкие диски диаметром 5 мм, подвешиваемые на упругой нити (рис. 5) внутри откачанного сосуда.
Рис. 5 – Эксперимент П.Н. Лебедева
Диски изготавливались из различных металлов, и их можно было заменять при проведении экспериментов. На диски направлялся свет от сильной электрической дуги. В результате воздействия света на диски нить закручивалась, и диски отклонялись. Результаты опытов П.Н. Лебедева полностью согласовывались с электромагнитной теорией Максвелла и имели огромное значение для её утверждения.
Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объёме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Так как давление световой волны очень мало, то оно не играет существенной роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Но в противоположных по масштабам космических и микроскопических системах роль этого эффекта резко возрастает. Так, гравитационное притяжение внешних слоёв вещества каждой звезды к центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу. В микромире давление света проявляется, например, в явлении световой отдачи атома. Её испытывает возбужденный атом при излучении им света.
Световое давление играет значительную роль в астрофизических явлениях, в частности, в образовании кометных хвостов, звёзд и т.д. Световое давление достигает значительной величины в местах фокусировки излучения мощных квантовых генераторов света (лазеров). Так, давление сфокусированного лазерного излучения на поверхность тонкой металлической пластинки может привести к её пробою, то есть к появлению отверстия в пластинке. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.
2.2 Открытие электромагнитных волн
Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца [3] в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла.
Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, используя два металлических стержня с шарами на концах, разделённых искровым промежутком. Эти стержни обладают определённой индуктивностью и электроёмкостью и представляют собой излучающий электрический колебательный контур-вибратор (вибратор Герца) [2]. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно.
Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах – резонатор, Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создаёт электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).
В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отражённой от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну.
Вибратор Герца имел длину от 2,5 м до 1 м, что соответствовало волнам длиной от 5 до 2 м, то есть полученные Герцем волны в миллион раз превосходили по длине световые волны. В 1895 г. П.Н. Лебедев, пользуясь миниатюрными вибраторами, получил электромагнитные волны длиной около 2 –6 мм.
Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц».
2.3 Шкала электромагнитных волн
Излучение электромагнитных волн происходит в широком диапазоне частот или длин волн [9].
Радиоволны и некоторые рентгеновские лучи излучаются при ускорении или замедлении свободных электронов, например, при столкновениях.
Все остальные виды электромагнитных волн возникают при переходах электронов между электронными оболочкамивнутри атомов.
Поглощение электромагнитных волн вызывает увеличение температуры среды, что приводит к инфракрасному излучению.
Гамма-лучи излучаются радиоактивными веществами (рис. 6).
Рис. 6 – Виды излучения электромагнитных волн
Во многих случаях электромагнитные волны излучаются не непрерывно, а как последовательность импульсов, называемых фотонами.
Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и др. областях науки и техники.
Заключение
В работе были рассмотрены такие вопросы как понятие волн, электромагнитных волн и их экспериментальное обнаружение, свойства электромагнитных волн, шкала электромагнитных волн.
Электромагнитными волнами называется процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж.К. Максвеллом. Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда [11]), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Максвелл создал теорию электромагнитных волн. На основе своих уравнений он пришел к выводу, что в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.
Таким образом, ускоренное движение электрических зарядов приводит к возникновению электромагнитных волн – взаимосвязанным изменениям электрического и магнитного полей. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.
— электромагнитная волна является поперечной, так как векторы напряжённость электрического поля и напряженность магнитного поля перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию;
— электромагнитные волны, как и другие волны, переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся электрическом и магнитном полях;
— электромагнитная волна должна обладать импульсом, а поэтому оказывать давление на тела.
Впервые опыты с электромагнитными волнами были осуществлены в 1888 г. Г. Герцем. С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приёмника он получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Дальнейшие исследования электромагнитных волн показали, что они обладают способностью испытывать отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и поляризацию.
Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А.С. Попову.
Значение теории Максвелла.
1. Показал, что электромагнитное поле – это совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных полей.
2. Предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся от точки к точке с конечной скоростью.
3. Показал, что световые волны являются электромагнитными волнами, и по своей физической природе ничем не отличается от других электромагнитных волн – радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.
4. Связал воедино электричество, магнетизм и оптику.
Список использованных источников
1. Ботаки, А.А. Физика [Электронный ресурс] : учебное пособие / А.А. Ботаки, Э.В. Поздеева, В.В. Ларионов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 120 с.
2. Вибратор Герца // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B0.
3. Герц, Генрих Рудольф // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86,_%D0%93%D0%B5%D0%BD%D1%80%D0%B8%D1%85_%D0%A0%D1%83%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%84.
4. Квантовая хромодинамика // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0.
5. Лебедев, Пётр Николаевич // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B1%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%B2,_%D0%9F%D1%91%D1%82%D1%80_%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87.
6. Максвелл, Джеймс Клерк // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%BB,_%D0%94%D0%B6%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D1%81_%D0%9A%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BA.
7. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.
8. Фарадей, Майкл // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D0%B9,_%D0%9C%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D0%BB.
9. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с. – С. 152–164.
Электромагнитные волны
Электромагни́тные во́лны, переменное пространственно-временное электромагнитное поле , распространяющееся в свободном пространстве ( бегущие электромагнитные волны ) или сосредоточенное в ограниченном пространстве ( стоячие электромагнитные волны , являющиеся наложением двух электромагнитных волн с равными амплитудами , бегущих навстречу друг другу).
Существование электромагнитных волн теоретически обосновано Дж. К. Максвеллом в 1865 г. как математическое следствие уравнений Максвелла ; при этом Максвелл установил, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью света , и предположил, что свет как физическое явление представляет собой электромагнитные волны. Экспериментально электромагнитные волны, обладающие предсказанными Максвеллом свойствами, были обнаружены в 1888 г. в опытах Г. Герца , сконструировавшего лабораторные излучатели и приёмники электромагнитных волн. Основываясь на экспериментах Герца, А. С. Попов и Г. Маркони разработали и создали устройства радиосвязи . Первая в мире радиотелеграфная передача была осуществлена А. С. Поповым в 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества ; им был передан текст: «Heinrich Hertz» (Генрих Герц), который был принят в находящемся на расстоянии 250 м соседнем помещении.
Электромагнитные волны могут самоподдерживаться в пространстве, свободном от источников электрического и магнитного полей ( электрических зарядов и электрических токов ), т. к. переменное магнитное поле является источником переменного электрического поля ( электромагнитная индукция ), а переменное электрическое поле (максвелловский ток смещения ) является источником переменного магнитного поля.
В однородной среде без источников напряжённость электрического поля E \boldsymbol E E и индукция магнитного поля B \boldsymbol B B в электромагнитной волне подчиняются волновым уравнениям , вытекающим из уравнений Максвелла и имеющим вид (в декартовой системе координат Oxyz):
∂ 2 E ∂ x 2 + ∂ 2 E ∂ y 2 + ∂ 2 E ∂ z 2 = 1 v 2 ∂ 2 E ∂ t 2 , ∂ 2 B ∂ x 2 + ∂ 2 B ∂ y 2 + ∂ 2 B ∂ z 2 = 1 v 2 ∂ 2 B ∂ t 2 , ( 1 ) \displaystyle\frac<\partial^2E><\partial x^2>+\frac<\partial^2E><\partial y^2>+\frac<\partial^2E><\partial z^2>=\frac\frac<\partial^2E><\partial t^2>, \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \\ \\ \displaystyle\frac<\partial^2B><\partial x^2>+\frac<\partial^2B><\partial y^2>+\frac<\partial^2B><\partial z^2>=\frac\frac<\partial^2B><\partial t^2>, \qquad(1) ∂ x 2 ∂ 2 E + ∂ y 2 ∂ 2 E + ∂ z 2 ∂ 2 E = v 2 1 ∂ t 2 ∂ 2 E , ∂ x 2 ∂ 2 B + ∂ y 2 ∂ 2 B + ∂ z 2 ∂ 2 B = v 2 1 ∂ t 2 ∂ 2 B , ( 1 ) где v v v – фазовая скорость электромагнитной волны: v = c ε μ v=c\sqrt v = c ε μ
( ε ε ε и μ μ μ – диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость среды соответственно), с с с – скорость света в вакууме, t t t – время. В средах без дисперсии ( ε ε ε и μ μ μ не зависят от частоты электромагнитной волны) фазовая скорость совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны. В дисперсионных средах энергия электромагнитной волны распространяется с групповой скоростью , при этом фазовая скорость такой электромагнитной волны может быть как меньше, так и больше предельной скорости распространения любого физического взаимодействия – скорости света в вакууме.
Максвелл показал, что при своём распространении электромагнитные волны переносят энергию , плотность потока которой определяется вектором Пойнтинга , и импульс . Изменение импульса электромагнитной волны при поглощении или отражении от поверхности создаёт силу, действующую на эту поверхность и обусловливающую давление электромагнитной волны. Давление света на отражающую и поглощающую поверхность, соответствующее теории Максвелла, было впервые экспериментально подтверждено в 1899 г. в опытах П. Н. Лебедева . Утверждение Максвелла о том, что свет является электромагнитными волнами, позволило объяснить ранее установленные законы оптики – законы преломления света , отражения света, полного внутреннего отражения света , поляризации света , формулы Френеля и т. д.
Важным частным решением волновых уравнений (1) является бегущая плоская монохроматическая электромагнитная волна:
E ( r , t ) = E 0 cos ( ω t − k r ) , B ( r , t ) = B 0 cos ( ω t − k r ) , E\left(r,t\right)=E_0 \cos \left(\omega t-kr\right), \\ B\left(r,t\right)=B_0 \cos \left(\omega t-kr\right), E ( r , t ) = E 0 cos ( ω t − k r ) , B ( r , t ) = B 0 cos ( ω t − k r ) , где E 0 \boldsymbol E_0 E 0 и B 0 \boldsymbol B_0 B 0 – амплитуды напряжённости электрического и индукции магнитного полей электромагнитной волны соответственно; ω = 2 π T \displaystyle\omega=\frac<2\pi> ω = T 2 π – круговая частота ( T T T – временной период волны); r – радиус-вектор точки наблюдения волны; k – волновой вектор , направление которого в изотропной среде совпадает с направлением распространения электромагнитной волны, а модуль этого вектора – волновое число k = ω v = 2 π λ \displaystyle k=\frac<\omega>=\frac<2\pi> <\lambda>k = v ω = λ 2 π ( v v v и λ λ λ – частота и длина электромагнитной волны соответственно) – пространственный период электромагнитной волны в среде. Плоскими волны называют потому, что поверхности равной фазы, удовлетворяющие уравнению ω t − k r = c o n s t \omega t-kr=const ω t − k r = co n s t , являются геометрическими плоскостями; в сферической волне поверхности равной фазы являются концентрическими сферами. Плоская электромагнитная волна является поперечной , в ней векторы E \boldsymbol E E и B \boldsymbol B B колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях, перпендикулярно волновому вектору k, с которым они образуют правую тройку векторов . Амплитуды электрической и магнитной частей плоской электромагнитной волны связаны соотношением E 0 = v B 0 E_0=vB_0 E 0 = v B 0 . Произвольная электромагнитная волна может быть представлена как результат наложения плоских электромагнитных волн с различными амплитудами, частотами и волновыми векторами (разложение по плоским волнам).
Шкала электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. По длинам волн электромагнитные волны разделяют на диапазоны, связанные с особенностями генерации и детектирования электромагнитных волн в каждом из них: радиоволны , терагерцевое излучение , оптическое излучение ( инфракрасное , видимый свет , ультрафиолетовое ), рентгеновское излучение и гамма-излучение (рисунок).
Терагерцевый диапазон электромагнитных волн (1–30 мкм), расположенный между микроволновым радиодиапазоном и инфракрасным диапазоном длин волн, начал интенсивно осваиваться с 1990-х гг. 20 в. Терагерцевое излучение, как и рентгеновское, обладает проникающей способностью, но является безопасным для здоровья человека. В терагерцевом диапазоне расположены спектры поглощения сложных органических молекул (молекул белков, ДНК ), взрывчатых веществ и др., что позволяет методами неразрушающего контроля определять не только форму и внутреннее строение, но и химический состав исследуемых объектов.
Опубликовано 13 января 2023 г. в 21:43 (GMT+3). Последнее обновление 13 января 2023 г. в 21:43 (GMT+3). Связаться с редакцией
Электромагнитные волны: что это, влияние и сферы применения
Одно из ключевых понятий физики — электромагнитные волны. Человек не может их увидеть, но активно использует. Радио и радары, рентгены и лазеры — все это работает благодаря существованию электромагнитного поля.
Что такое электромагнитные волны
Теорию электромагнитного поля в середине XIX века, в 1862 году, разработал Джеймс Максвелл. Он дал теоретическое определение электромагнитным волнам и излучению.
Характеристика и история изучения
Талантливый физик предсказал возможность существования электромагнитных волн как способа, с помощью которого электромагнитное поле распространяется в пространстве и во времени. Источником этого явления ученый назвал электрические заряды, которые движутся с ускорением.
Его теорию продолжили исследовать на практике такие ученые, как:
- Дэвид Эдвард Хьюз. В 1879 году продемонстрировал эффект распространения электромагнитных волн в воздухе.
- Генрих Герц. В серии экспериментов 1886–1889 гг. показал генерацию и прием электромагнитных волн. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла.
- Русский изобретатель радио Александр Степанович Попов. В своей первой радиограмме в 1896 году передал два слова: «Генрих Герц». А за год до этого, пользуясь небольшими вибраторами, он получил электромагнитные волны длиной около 2–6 мм.
С тех пор электромагнитное излучение определяют как одноименные волны, которые приводят в возбуждение различные объекты излучения (молекулярные, атомные и заряженные частицы).
Каждая электромагнитная волна является излучением, которое имеет три основные характеристики:
- Частота — количество гребней волны, которые проходят за одну секунду. Измеряется в герцах.
- Поляризация. Описывает то, как происходят колебания электромагнитной волны в поперечном направлении. Когда волновые колебания происходят в одной плоскости, то такое излучение называют поляризованным. На практике это явление встречается на 3D-сеансах в кинотеатрах. В специальных очках происходит поляризация и картинка разделяется.
- Длина, то есть расстояние, которое соединяет точки электромагнитного излучения, колеблющиеся в пределах одной фазы.
Электромагнитное излучение интересно тем, что распространяется в любой среде — и в плотных веществах, и в вакууме. При этом в последнем скорость распространения волн составляет около 300 тысяч км/с. А вот, например, звуковые волны в вакууме распространяться не могут.
Каков принцип действия электромагнитного излучения
Оно обладает энергией, которой присуща напряженность. Поле электромагнитных волн может быть постоянным и переменным:
- В первом случае напряженность обусловлена силой, которая оказывает каталитическое (ускоряющее) воздействие на токовый проводник. Такое напряжение измеряется в амперах.
- Переменное поле состоит из магнитной и электрической разновидностей магнитного поля, расширяющихся в пространстве в виде волн.
У такого распространения есть три зоны:
- Ближняя — индукционная.
- Промежуточная — интерференционная.
- Дальняя — волновая.
В своей теории Максвелл описал определенные свойства электромагнитных волн, которые обусловлены их различиями и зависят от длины волны. Согласно этому параметру, волны электромагнитного поля разделяют на диапазоны. Для последних разработана условная шкала, так как близкие частоты часто совмещают такие свойства:
- высокую проникающую способность;
- быструю скорость растворения в веществах;
- положительное и отрицательное влияние на человека.
Электромагнитные волны довольно быстро стали явлением, которое используют на практике. Знаем о них или нет, они нас окружают повсюду.
Виды электромагнитных волн и их применение
Электромагнитные волны различаются по частоте, поляризации и длине. Последний показатель был взят за основу самой распространенной классификации.
Виды
По показателю длины выделяют:
- Видимый свет. Это излучение воспринимается зрением человека. Длина у этих волн короткая и находится в границах от 380 до 780 нм.
- Инфракрасные волны. По показателю длины они находятся между световым излучением и радиоволнами.
- Радиоволны. Они имеют большую длину и охватывают все виды излучений от 0,5 мм.
- Ультрафиолет — излучение, которое наносит вред живым организмам.
- Рентгеновское излучение. Его производят электронные частицы. Оно широко применяется в медицине.
- Гамма-излучение с самой короткой длиной волны — самое опасное излучение для человека.
Где применяют и как влияет на человека
Широко применять электромагнитное излучение начали с конца XIX века. В это время началось развитие радиосвязи, с помощью которой реальным стало общение на больших расстояниях. Главными электромагнитными источниками были крупные объекты промышленного масштаба, а также электрические линии передач.
Кроме того, этим видом излучения заинтересовалась военная сфера. Так началась эпоха радаров и других подобных электрических приборов.
В сфере медицины для лечения различных болезней начали использовать инфракрасное излучение. Благодаря рентгеновским исследованиям появилась возможность выявлять внутренние повреждения в организме человека. На современном этапе с помощью лазеров проводят операции, требующие ювелирной точности.
Наряду с перечисленной выше пользой электромагнитного излучения, известны и некоторые негативные для человека последствия его воздействия:
- повышенная усталость;
- головные боли;
- тошнота.
Ученые-исследователи Н. И. Бурлака и С. С. Гоженко установили, что чрезмерное действие электромагнитного излучения повреждает внутренние органы, нарушает работу центральной нервной системы, что может привести к возникновению психических расстройств. Известен накопительный эффект биологических воздействий излучения: чем оно длительнее, тем более отрицательные результаты.
Воздействие, длящееся годами, приводит к:
- нарушениям работы гормональной системы;
- появлению злокачественных новообразований;
- болезням крови.
Чтобы избежать таких негативных влияний, внедряют определенные стандарты, регулирующие вопросы безопасности электромагнитного воздействия. Так, для использования всех разновидностей электромагнитного излучения разрабатывают гигиенические нормы и радиационные стандарты.
На современном этапе продолжается изучение электромагнитного излучения и его воздействия на организм человека. Многие стараются свести его к минимуму, так как нет окончательного вердикта относительно вреда излучения. Нас окружает великое разнообразие электромагнитных волн, многие из которых приносят человеку пользу.