ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение свойств электромагнитных волн с помощью системы Лехера; расчет длины электромагнитной волны и частоты УКВ генератора
Техника безопастности
1. К проведению работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности в лаборатории «Электричества и магнетизма».
2. При выполнении работы необходимо соблюдать меры предосторожности, не касаться проводников и контактов без изоляции.
ПОМНИТЕ! ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!
3. При возникновении аварийной ситуации следует выключить электропитание установки.
4. После окончания измерений следует выключить и обесточить установку.
Основы теории максвелла для электромагнитного поля
Теория Максвелла о едином электромагнитном поле является обобщением основных законов электрических и магнитных явлений. Теория смогла объяснить не только уже известные факты, но и предсказала новые явления (существование электромагнитных волн).
ЭДС
индукции
,
возникающая в замкнутом проводящем
контуре, при изменении магнитного потока
,
пронизывающего площадку s,
ограниченную
этим контуром, определяется по закону
электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла
(1)
Магнитный
поток в однородном поле равен скалярному
произведению индукции магнитного поля
,
пронизывающего площадку
,
расположенную перпендикулярно к силовым
линиям поля по определению
где
–
угол между
и
.
Для неоднородного поля магнитный поток определяется по формуле:
.
(2)
ЭДС
индукции
,
возникающая в контуре
при изменении магнитного потока, равна
циркуляции вектора напряженности
электрического поля сторонних сил
:
, (3)
где
– элемент длины контура
.
Следовательно, с учетом уравнений (2) и (3) формула (1)примет вид:
(4)
Циркуляция вектора напряженности поля не равна нулю, а определяется скоростью изменения магнитного потока. Такое электрическое поле называется вихревым. Силовые линии этого поля замкнуты.
Из формулы (4) следует, что в любой точке среды изменение во времени потока магнитной индукции сопровождается возникновением в этой точке электрического поля. Таким образом, всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.
Данное
электрическое поле
индуцирует
в замкнутом контуре электрический ток
.
По закону симметрии возможно предположить и обратное явление: всякое изменение вихревого электрического поля должно вызвать появление в окружающем пространстве магнитного поля.
Главное свойство, присущее любому типу электрического тока, – создание вокруг проводника с током магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся вихревым электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения.
ТОК СМЕЩЕНИЯ
При
протекании переменного тока в электрической
цепи, содержащей конденсатор, заряд Q
на обкладках конденсатора зависит от
времени. Между обкладками заряжающегося
и разряжающегося конденсатора возникает
переменное электрическое поле, связанное
с изменением плотности заряда на
обкладках конденсатора
,
поэтому в цепи течет ток. По определению
Максвелла: ток,
обусловленный переносом свободных
зарядов, – ток проводимости
,
а переменное поле,
возникающее между обкладками конденсатора,
– ток смещения
.
Сила тока смещения определяется по формуле:
(5)
где – плотность заряда на обкладках конденсатора;
ds – элемент площади обкладок конденсатора;
Вектор
электрического смещения
связан с вектором напряженности
электрического поля
:
Модуль (величина) вектора электростатического смещения определяется плотностью заряда на обкладках конденсатора:
. (6)
Поэтому формула для тока смещения примет вид:
(7)
где
– плотность тока смещения.
Плотность тока смещения с учетом уравнений (6) и (7) определяется формулой
.
(8)
Плотность тока смещения определяется скоростью изменения плотности заряда на обкладках конденсатора, следовательно, скоростью изменения электрического поля между обкладками конденсатора.
В отличие от постоянного электрического тока изменяющиеся или переменные токи могут существовать и в разомкнутых контурах. В этом случае, если в разомкнутом контуре имеется переменный ток, то между концами контура возникает изменяющееся во времени электрическое поле или ток смещения.
Едиственным свойством тока смещения является способность вызывать переменное магнитное поле.
Максвелл ввел также понятие полного тока, равного сумме токов проводимости и смещения:
.
Следовательно, плотность полного тока определяется в виде формулы:
.
(9)
Экспериментально
установленный закон полного тока
(теорема о циркуляции вектора
напряженности магнитного поля
)
с учетом формулы (9) примет следующий
вид:
.
(10)
Из формулы (10) следует, что любое изменение электрического поля приводит к возникновению магнитного поля.
Введение понятия тока смещения и полного тока привело к завершению созданной Максвеллом единой макроскопической теории электромагнитного поля. Теория позволила с единой точки зрения рассматривать электрические и магнитные явления.