§15. Электромагнитные колебания и волны.

Для возбуждения электромагнитных колебаний служат системы, называемые колебательным контуром, состоящие из параллельно соединенных между собой индуктивности L и емкости С. Рассмотрим идеальный контур, т.е. контур, сопротивление которого равно нулю (R = 0). Чтобы возбудить колебания в этом контуре, необходимо либо сообщить обкладкам конденсатора некоторый заряд, либо возбудить в катушке индуктивности ток. Пусть в начальный момент времени конденсатор заряжен до разности потенциалов U₀ (рис.15.1, а); следовательно, он обладает потенциальной энергией .

В этот момент времени ток в катушке I= 0. В идеальном контуре через четверть периода вся энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля (рис., б). В этом случае напряжение между обкладками конденсатора равно нулю: U = 0, а через катушку протекает максимальный ток I₀ (рис. б). Состояния системы, изображенные на рис., соответствуют последовательным моментам времени Т=0, Т/4, Т/2, ЗТ/4 и Т.

Гармонические колебания заряда, тока и напряжения в контуре описываются уравнениями: , , .

Частота колебаний контура определятся формулой: , а период – формула Томсона.

Энергия контура: . Подставив выражения для заряда и тока, получим что , . Полная энергия контура определяется по формулам и . Таким образом, .

Ток достигает максимального значения в те моменты времени, когда заряд (напряжение) на обкладках конденсатора равен нулю, и наоборот. Энергии электрического и магнитного полей изменяются со временем, причем, когда энергия электрического поля максимальна, энергия электрического поля обращается в нуль, и наоборот. Полная энергия системы в каждый момент времени остается величиной постоянной. Период колебания энергий электрического и магнитного полей вдвое меньше периода колебания Т системы. Постоянство полной энергии в рассматриваемом случае обусловлено пренебрежением потерями энергии на совершение работы против сил сопротивления. Если R0, то колебания в контуре будут затухать. Для восполнения этих потерь необходим источник питания.

Открыв явление электромагнитной индукции, Фарадей показал, что переменное магнитное поле приводит к появлению вихревого электрического поля. Анализируя связь между величинами электрического и магнитного полей и обобщая результаты опытов Эрстеда и Фарадея, Максвелл предположил, что переменное электрическое поле может, в свою очередь, породить переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменные электрические и магнитные поля не могут существовать раздельно друг от друга, так как в пространстве, где существует переменное магнитное поле, возбуждается переменное электрическое поле, и наоборот. Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Электромагнитное поле – один из видов материи, характеризуемый наличием электрического и магнитного полей, связанных непрерывным взаимным превращением.

Распространение в пространстве магнитного и электрического полей, меняющихся во времени, называют электромагнитными волнами. Максвелл математически доказал, что они должны распространяться с конечной скоростью, равной в вакууме =300000 км/с, что совпадало со значением для скорости света. Опыты Г. Герца и изобретение радио А.С. Поповым подтвердили теоретическое предсказание Максвелла. Длина волны электромагнитных волн .

Согласно теории Максвелла, электромагнитные волны излучаются при любом движении с ускорением заряженных частиц, при этом в окружающей среде распространяются колебания напряженности электрического поля и индукции магнитного поля . Направления векторов и при распространении волны перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению, в котором распространяется волна. Электромагнитная волна обладает следующими свойствами: распространяется прямолинейно, способна преломляться, отражаться, ей присущи свойства интерференции, дифракции, интерференции, поляризации. Источникам электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряды или изменяющиеся во времени электрические токи.