Електромагнітні коливання і хвилі

Електромагнітні коливання і хвилі.

План

1. Електромагнітне поле.

2. Електромагнітні хвилі.

3. Вібратор Герца. Школа електромагнітних хвиль.

1. У 60-ті роки 19 століття Д. К. Максвел створив теорію єдиного електромагнітного поля.

Електромагнітне поле – це вид матерії, що не має маси спокою і являє собою сукупність пов‘язаних один з одним змінних (вихрових) електричних та магнітних полів.

Згідно гіпотези Максвела змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, породжує

змінне електричне поле. Другорядні змінні поля мають вихровий характер, тобто силові лінії поля, яке є первісним, охоплені концентричними силовими лініями другорядного поля.

– лінія напруженості первісного змінного електричного поля;

– лінії напруженості другорядних вихрових електричних та магнітних полів.

Сталі електричні та магнітні поля – лише окремі випадки єдиного електромагнітного поля.

Пов‘язані початково з зарядами та струмами змінні електричні та магнітні поля можуть потім існувати незалежно від них, тобто відокремитися та, породжуючи одне одне, переміщуватися у просторі зі швидкістю:

.

В вакуумі ця швидкість дорівнює: ε=1, μ=1:

Переміщуючись у просторі електромагнітне поле переносить свою електромагнітну енергію.

Густина потоку електромагнітної енергії – це енергія, яка переноситься за одиницю часу крізь одиницю площі, перпендикулярної до напряму переносу:

Потік ел.-м. енергії створює тиск Р на перепону, що знаходиться на його шляху. Цей тиск пропорційний густині потоку:

Де: χ – коефіцієнт відбиття (χ=1 – повне відбиття) (χ=0-повне поглинання).

Рmax (повне відбиття)=

Важливе поняття, введене Максвелом, це є струм зміщення.

Струм зміщення – це особливий вид струму, який не пов‘язаний з рухом зарядів, а пропорційний швидкості зміни електричного поля в вакуум; струм зміщення має змінне магнітне поле; струм зміщення дорівнює струму провідності у зовнішньому колі.

Струм зміщення в вакуумі не виділяє джоулевої теплоти.

Отже, згідно теорії Максвела: в просторі, охопленому змінним електричним полем, виникає струм зміщення, який складається зі струму зміщення у вакуумі та поляризаційного струму зміщення. Змінні струми провідності, які існують в незамкнених контурах, завжди замикаються струмами зміщення. Між обкладинками конденсатора С виникає струм зміщення.

2. Електромагнітні хвилі.

Електромагнітні хвилі – це фізичний процес розповсюдження змінного електромагнітного поля у просторі та часі у вигляді сукупності двох взаємно перпендикулярних змінних полів: електричного та магнітного.

Електромагнітні хвилі складаються з двох співпадаючих за фазами хвиль – електричної (тобто хвилі напруженості електричного поля) та магнітної (тобто хвилі напруженості магнітного поля).

Джерело електромагнітних хвиль – це найрізноманітніші змінні струми: змінний струм в провіднику; коливальні рухи заряджених часток, електронів та ін.; обертання електронів довкола ядра в атомі і таке інше.

Найпростіший приклад змінного струму – електричний диполь з гармонійно змінюючимся моментом.

Поле диполя має такі властивості:

Напруженість електричного поля коливається в площині вісі диполя перпендикулярно напряму випромінювання;

Напруженість магнітного поля коливається перпендикулярно та напряму випромінювання;

Коливання та відбуваються в одній фазі;

Амплітуди коливання та максимальні в напрямі, перпендикулярному вісі диполя.

Період (частота) електромагнітної хвилі дорівнює періоду (частоті) коливань диполя, що випромінює.

Довжина хвилі λ дорівнює: , де: – швидкість, Т-період, ν-частота хвилі.

З точки зору переносу енергії розрахунки вказують, що інтенсивність ел. маг. хвилі (те ж, що і густина потоку ел.-маг. енергії) пропорційна квадрату частоти хвилі: .

Звідси витікає, що для переносу значної енергії на значні відстані потрібно мати джерело ел. маг. хвиль високої частоти – електричні коливання.

Електричні коливання – це змінні струми високої частоти (краще, коли це частоти в мегагерцах).

4. Вібратор Герца. Школа електромагнітних хвиль.

В коливальному контурі можуть виникнути інтенсивні високочастотні коливання лише за умов періодичної підкачки енергії в контур, інакше втрати в контурі (омічний опір) дуже швидко знищать вільні коливання.

Фізичну реальність існування електромагнітних хвиль вперше в історії довів в 1888 р. німецький фізик Г. Герц.

Спочатку він створив коливальний контур з незгасаючими коливаннями, в

Якому крізь іскровий проміжок з індукційної котушки в контур потрапляла електрична енергія, яка заряджала конденсатор контуру. Потім Герц отримав вібратор Герца.

Вібратор Герца – це відкритий коливальний контур, тобто прямолінійний провідник з іскровим проміжком посередині; індуктивність та ємність дуже малі.

У вібраторі Герца змінне електричне поле зосереджується не в конденсаторі, а оточує провідник зовні, що значно підвищувало інтенсивність електромагнітного випромінювання.

За допомогою вібратора Герц довів існування електромагнітних хвиль та за 18871891 рр. дослідним шляхом вивчав структуру та властивості розповсюдження хвиль. Приймання випромінюваних вібратором хвиль Герц здійснював точно таким же вібратором тільки без індукційної котушки. Вібратори були налаштовані в резонанс.

Ідея використання електромагнітних хвиль в якості носія сигналів була запропонована та практично реалізована в 1889-1895 р. р. російським вченим А. С. Поповим. Він побудував перший в світі практичний приймач електромагнітних хвиль, побудований по релейній схемі (на базі чутливого елемента – когерера). В 1900 році IV Всесвітній електротехнічний конгрес присудив А. С. Попову почесний диплом та золоту медаль за винахід радіо.

Досліди по вивченню фізичної природи електромагнітних хвиль дозволили встановити реальний діапазон коливань, які можна віднести до цього класу випромінювання.

В 1895 р. П. Н. Лебедєв отримав хвилі міліметрової довжини; в 1923 р. А. Г.Глаголєва-Аркадьєва отримала хвилі довжиною 0,2…0,1 мм, які перекривали область інфрачервоних (теплових) хвиль, які випромінюються коливаннями електричних зарядів атомів та молекул.

Низькочастотний діапазон коливань (до радіохвиль) генерується механічним генераторами змінного струму;

Шкала електромагнітних хвиль

Радіо – та теледіапазон охоплюється коливальними контурами різних резонансних частот та спеціальними резонаторами; це відноситься і до радіолокації; інфрачервоне випромінювання ведеться лампами розжарювання; також з різними видами ламп розжарювання випромінюється видимий та ультрафіолетовий діапазон;.

рентген-випромінювання дають трубки Рентгена;

γ–промені виникають внаслідок радіоактивного розпаду хімічних елементів (коливання в атомах);

найбільш енергетично потужним (короткохвильовим) є Космічне випромінювання Галактик.

Ви прочитали: "Електромагнітні коливання і хвилі"
Читати далі