53. Скорость распространения электромагнитных волн в средах.

Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем еще в 1832 г.

В однородной и изотропной среде, свободной от зарядов и токов, уравнения Максвелла приводят к волновым уравнениям, которые показывают, что электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн, скорость которых равна n = 1/v(ee_оmm_о) = с/v(em), где e_о и m_о — электрическая и магнитная постоянные, e и m — электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме эта скорость = скорости света, так как e= 1 и m= 1. В веществе скорость распространения электромагнитных волн всегда меньше, чем в вакууме.

Частота колебаний электрического и магнитного полей в электромагнитной волне связана с длиной волны соотношением: l= с/n.

Электромагнитная волна обладает энергией, импульсом, массой, а если она является эллиптически- и циркулярнополяризованной, то обладает еще и моментом импульса.

Колебания электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электромагнитного поля для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов удовлетворяют волновым уравнениям:

DЕ = d²Е/v²dt² DН = d²Н/v²dt²

где D = d²/dx² + d²/dy² + d²/dz^{2 —} оператор Лапласа, v — фазовая скорость. Всякая функция, удовлетворяющая этим уравнениям, описывает некоторую волну. Следовательно, электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн.

54. Вектор Умова-Пойтинга. Энергия электромагнитных волн.

Вектор Умова-Пойнтинга S= [E*H] - вектор, направление которого совпадает с направлением распространения энергии в электромагнитной волне, а модуль |S| равен потоку энергии.

Электромагнитная волна - это распространяющиеся в пространстве взаимно перпендикулярные электрическое E(r,t) и магнитное H(r,t) поля, удовлетворяющие системе уравнений Максвелла, причем направление распространения n в каждой точке пространства перпендикулярно E и H.

электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны с≈300 000 км/с В однородных изотропных средах направления напряжённостей электрического (Е) и магнитного (Н) полей электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, то есть электромагнитная волна является поперечной. По длине волны λ, различают: радиоволны с λ>10^-2 см; световые волны (инфракрасные с λэлектромагни́тные во́лны 2·10^-1-7,4·10^-5 см, видимый свет с λэлектромагни́тные во́лны 7,4·10^-5-4·10^-5 см, УФ-излучение с λэлектромагни́тные во́лны 4·10^-5-10^-6 см); рентгеновское излучение с λэлектромагни́тные во́лны10^-5-10^-12 см; гамма-излучение с λ<10^-8 см.

55. Опыты Герца

Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн и открыл их основные свойства.

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Причем частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура. Однако большая частота электромагнитных волн еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В своих опытах Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное количество электронов, движущихся согласованно.

Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой точно такое же устройство, что и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадет с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень малом промежутке между проводниками приемного вибратора.

Своими опытами Герц доказал:

1)существование электромагнитных волн;

2)волны хорошо отражаются от проводников;

3)образование стоячих волн;

4)определил скорость волн в воздухе.

Когда в 1887 г. своими экспериментами Герц доказал справедливость гипотезы Максвелла о существовании электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света (называемых теперь радиоволнами), многие изобретатели в разных странах занялись вопросом использования этих волн для беспроволочной передачи сигналов. Первая в мире радиопередача была осуществлена в России знаменитым изобретателем и ученым А.С. Поповым . В 1888 г. ученый узнал об открытиях Герца и немедленно приступил к их воспроизведению. В 1889 г. в одной из своих лекций, Попов впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние без проводов.

В 1895г. на заседании Русского физико-химического общества А.С. Попов демонстрировал свой аппарат, "явившийся родоначальником всех приемных приборов искровой "беспроволочной телеграфии". В 1895 - 1896 гг. ученый совершенствовал свое передающее устройство. 12 марта 1896 г. был организован прием первой в мире радиограммы в Физическом кабинете Петербургского университета на Васильевском острове. Станция отправления находилась на расстоянии 250 метров, в Химическом институте. К приемному устройству был присоединен телеграфный аппарат, передававший по алфавиту Морзе одну букву за другой.