3. Перенос Энергии в Замкнутой Цепи Постоянного Тока

Хотя в курсе физики традиционно считается, что энергия течет по проводам вместе с электронами, в рамках классической электродинамики (Уравнения Максвелла) перенос энергии происходит вне проводника — в окружающем пространстве, где существует электромагнитное поле.

• Поле в цепи:

1. Электрическое поле ( ): Возникает из-за разности потенциалов и направлено вдоль проводника (вдоль тока).

2. Магнитное поле ( ): Создается током и вихрем опоясывает проводник.

• Вектор Пойнтинга в цепи: Вектор Пойнтинга в пространстве, окружающем проводник, направлен внутрь проводника и вдоль него (к источнику потребления).

• Вывод: Энергия, необходимая для питания цепи, не течёт внутри проводника. Она покидает источник питания, распространяется в пространстве в виде электромагнитного поля и входит в проводник сбоку по всей его длине. Внутри проводника эта энергия преобразуется в тепло (на резисторах) или другие виды энергии.

• Роль проводов: Провода служат направляющими (волноводами), формирующими электромагнитное поле, которое переносит энергию.

47. Излучение и Давление Электромагнитных Волн radiated_power: 💡

1. Излучение Электромагнитных Волн

Излучение электромагнитных волн (ЭМВ) — это процесс генерации и распространения электрического и магнитного полей в пространстве.

Источник излучения

Согласно классической электродинамике, электромагнитные волны возникают только при ускоренном движении электрических зарядов.

• Ускорение: Если заряд движется равномерно (или покоится), он создает только статические или магнитостатические поля, которые не отрываются от заряда и не распространяются как волна. Для отрыва поля и его самоподдержания (за счёт взаимной генерации и ) требуется, чтобы поля изменялись во времени, что возможно только при ускорении заряда.

• Интенсивность излучения: Мощность, излучаемая ускоренно движущимся зарядом, пропорциональна квадрату его ускорения.

Примеры излучения

1. Излучение в антеннах: В открытом колебательном контуре (антенне) электроны совершают гармонические колебания (ускоренное движение) с высокой частотой, порождая радиоволны.

2. Тормозное излучение (Рентген): Возникает, когда быстрые электроны резко тормозятся при столкновении с атомами вещества-мишени, генерируя рентгеновские лучи.

3. Тепловое излучение: Возникает в результате хаотического теплового движения и колебания заряженных частиц (атомов, молекул) в нагретом теле.

2. Давление Электромагнитных Волн

Давление электромагнитных волн (световое давление) — это механическое давление, которое ЭМВ оказывают на поверхность, на которую они падают.

Физический механизм

Электромагнитная волна, помимо энергии, переносит и импульс. Когда волна падает на вещество, она передаёт ему свой импульс. Этот эффект обусловлен взаимодействием компонент волны с зарядами вещества:

1. Электрическое поле ( ) волны приводит в движение электроны в веществе, создавая ток.

2. Магнитное поле ( ) волны действует на эти движущиеся электроны с силой Лоренца ( ), которая направлена перпендикулярно направлению движения электронов и вектора , т.е. вдоль направления распространения волны, что и вызывает давление.

История и Экспериментальное доказательство

• Теоретическое предсказание: Эффект был теоретически предсказан Джеймсом Клерком Максвеллом в 1873 году на основе его электродинамической теории.

• Экспериментальное доказательство: В 1900 году русский физик Пётр Николаевич Лебедев экспериментально подтвердил существование и измерил величину светового давления, что стало одним из главных доказательств справедливости теории Максвелла.

Формулы для давления ( )

Давление ЭМВ связано с её объёмной плотностью энергии ( ) или интенсивностью ( ).

Где — скорость света.

1. Давление на идеально поглощающую поверхность (чёрное тело): Вся энергия (и импульс) поглощается.

2. Давление на идеально отражающую поверхность (зеркало): Импульс передаётся поверхности дважды (при падении и при отражении).

Значение

Световое давление, хотя и мало в земных условиях, играет важную роль в космосе: оно является причиной, по которой хвосты комет всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу .

• (объёмная плотность энергии в вакууме) измеряется в .

• (давление) измеряется в или Па.

48. Излучение Диполя 📡

Излучение диполя — это простейший и наиболее фундаментальный механизм генерации электромагнитных волн. Под диполем в данном контексте обычно подразумевают электрический диполь, момент которого периодически изменяется, что характерно для антенн.

1. Условие Излучения Диполя

Излучение электромагнитных волн возможно только при ускоренном движении зарядов. В случае диполя это достигается за счёт переменного (колеблющегося) дипольного момента.

Колеблющийся электрический диполь представляет собой два заряда ( ), которые совершают гармонические колебания вдоль оси , создавая переменный дипольный момент:

где — вектор, соединяющий заряды.

2. Принцип Излучения

Колеблющийся диполь создаёт вокруг себя два типа поля:

1. Ближнее поле (квазистационарное): Его компоненты убывают обратно пропорционально и (где — расстояние от диполя). Это поле имеет преимущественно электрический или магнитостатический характер и не переносит энергию на большие расстояния (не излучает).

2. Дальнее поле (волновое/излучения): Его компоненты убывают обратно пропорционально . Это поле отрывается от диполя и распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, перенося энергию.