4.2.4 Идеи теории Максвелла. Электромагнитные волны. Скорость распространения электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн

Идеи теории Максвелла: 1) переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле; 2) переменные магнитное и электрическое поля взаимосвязаны; 3) электрическое поле без магнитного или магнитное поле без электрического могут существовать только в определенной системе отсчета; 4) электрическое и магнитное поля – проявление одного целого – электромагнитного поля; 5) электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая взаимодействия между заряженными частицами.

Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

Источники электромагнитных волн: 1) переменные (изменяющиеся во времени) электрические токи; 2) отдельные ускоренно движущиеся заряженные частицы (мощность излучения гармонически колеблющегося заряда пропорциональна четвертой степени частоты его колебаний: P ~ ~ ).

Электромагнитная волна характеризуется вектором напряженности электрического поля и вектором индукции магнитного поля .

Скорость электромагнитных волн в среде определяется выражением:

, где – электрическая постоянная – магнитная постоянная, – диэлектрическая проницаемость среды, – магнитная проницаемость среды.

В вакууме (ε = 1, μ = 1) скорость распространения электромагнитных волн составляет: (совпадает со скоростью света в вакууме).

В диамагнитных и парамагнитных средах ( 1) скорость электромагнитных волн равна: , где – абсолютный показатель преломления среды.

Свойства электромагнитных волн: 1) векторы и лежат в плоскости, перпендикулярной скорости ее распространения (поперечная волна); 2) векторы и изменяются синфазно (т.е. одновременно нарастают (по модулю), достигают максимальных значений, затем одновременно убывают, обращаются в нуль и т. д.); 3) максимальное (амплитудное) значение вектора в с раз меньше максимального (амплитудного) значения вектора (для волны в вакууме); 4) объемная плотность энергии электрического поля и объемная плотность энергии магнитного поля в волне одинаковы по значению; 5) энергия электромагнитного поля переносится волнами в направлении их распространения, т.е. в направлении вектора ; 6) поглощаются веществом; 7) отражаются (наиболее хорошо металлами); 8) преломляются при прохождении через вещество; 9) значение абсолютного показателя преломления среды и скорость распространения волны в ней зависят от частоты волны (явление дисперсии).

Шкала электромагнитных волн включает в себя следующие диапазоны электромагнитных излучений: 1) низкочастотные (сверхдлинные волны); 2) радиоволны; 3) инфракрасное излучение; 4) видимое излучение; 5) ультрафиолетовое излучение; мягкое рентгеновское излучение; 6) рентгеновское излучение, гамма-излучение.

Между соседними диапазонами резкие границы отсутствуют.

4.2.5. Излучение и прием электромагнитных волн. Плотность потока электромагнитного излучения, ее зависимость от расстояния до источника и от частоты. Изобретение радио А.С. Поповым. Основные принципы радиосвязи

Источники электромагнитных волн: 1) переменные (изменяющиеся во времени) электрические токи; 2) отдельные ускоренно движущиеся заряженные частицы (мощность излучения гармонически колеблющегося заряда пропорциональна четвертой степени частоты его колебаний: P~ ~ ; таков же характер зависимости мощности излучения от частоты и для электрического заряда, циркулирующего по окружности с постоянной скоростью (в этом случае заряд движется с центростремительным ускорением)).

Обычный колебательный контур, несмотря на возможность создания в нем электромагнитных колебаний высокой частоты, не может излучать интенсивные электромагнитные волны, т.к. 1) сила тока во всех участках цепи контура в данный момент времени одинакова; 2) электрическое поле сосредоточено в основном между пластинами конденсатора (пренебрегаем краевыми эффектами); 3) магнитное поле катушки сосредоточено в основном внутри нее. Такой колебательный контур можно назвать закрытым.

Для преобразования закрытого колебательного контура в открытый необходимо, чтобы переменные электрическое и магнитное поля не были локализованы в определенных элементах контура. Эта цель достигается при 1) постепенном раздвигании пластин конденсатора, 2) уменьшении их площади и 3) уменьшении числа витков катушки. В процессе этих преобразований уменьшается электроёмкость С конденсатора и индуктивность L катушки, т.е. увеличивается частота электромагнитных колебаний в контуре. Колебательный контур превращается в металлический стержень или прямой провод.

Теорию открытого вибратора разработал в 1887 году немецкий физик Г. Герц. Он же предложил его конструкцию. В 1888 году Г. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, подтвердив теорию Д.К.Максвелла.

Для возбуждения колебаний в таком контуре провод разрезают посередине и половинки провода разводят на небольшое расстояние, создавая тем самым небольшой воздушный промежуток. Обе половинки подключают к источнику высокого напряжения. При достижении некоторой предельной разности потенциалов между проводниками проскакивает искра, цепь контура замыкается и в нем возникают электромагнитные колебания. В окружающее пространство излучаются электромагнитные волны.

Особенности электромагнитных колебаний в открытом вибраторе: 1) мгновенное значение силы тока неодинаково по длине провода (в воздушном промежутке сила тока максимальна, на концах контура – минимальна); 2) колебания являются затухающими, т.к. энергия, запасенная в контуре, превращается в джоулево тепло (активное сопротивление воздушного промежутка и провода) и энергию излученных электромагнитных волн.

Для возобновления колебаний оба проводника вновь подключаются к источнику высокого напряжения и процесс зарядки и излучения повторяется.

Приемный вибратор (резонатор) – вибратор, который регистрирует приход электромагнитных волн. Он представляет собой такое же по форме и размерам устройство, что и передающий (излучающий) вибратор.

Плотность потока излучения I (интенсивность волны) – отношение электромагнитной энергии ΔE, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt: .

Единица плотности потока излучения в СИ: 1 Вт/м².

Формула для расчета плотности потока излучения: I = ωc, где ω – объемная плотность энергии излучения, с – скорость распространения электромагнитных волн в среде.

Зависимость плотности потока излучения I от расстояния R до точечного источника и частоты ν: I ~ 1/R²; I ~ ⁴.

7 мая 1895 года в Петербурге на заседании Русского физико-химического общества действие своего приёмника продемонстрировал Александр Степанович Попов.

Основные узлы приемника А.С. Попова: 1) когерер (стеклянная трубка длиной 6 – 8 см и диаметром около 1 см, наполненная железными опилками); 2) антенна; 3) заземление; 4) электрический звонок; 5) источник тока.

Принцип работы радиоприемника А.С. Попова: пришедшая электромагнитная волна резко уменьшала (до 100 – 200 раз) сопротивление железных опилок; 2) цепь электрического звонка замыкалась, и он начинал звенеть; 3) удары молоточка звонка встряхивали железные опилки и прибор был снова готов к приему следующей «порции» электромагнитных волн.

Заземление позволяет увеличить дальность приёма, т.к. в этом случае проводящая поверхность земли становится частью открытого колебательного контура.

Использование принципа работы приёмника А.С. Попова в современных радиоприемниках: 1) приходящая электромагнитная волна вызывает в антенне очень слабые электромагнитные колебания; 2) эти колебания лишь управляют подачей энергии от источников тока, питающих последующие цепи радиоприемника.

Радиотелефонная связь – передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

Основные принципы радиотелефонной связи: 1) использование незатухающих электромагнитных колебаний высокой частоты, интенсивно излучаемых антенной; 2) изменение (модуляция) этих высокочастотных колебаний с помощью электрических колебаний низкой частоты (амплитудная, частотная или фазовая модуляция); 3) разделение (детектирование) принятого радиоприемником сигнала на два сигнала: высокой и низкой (звуковой) частоты.