МОДУЛЬ 1-3

численних сплавах виявлено властивість миттю намагнічуватися навіть у слабких магнітних полях. Усі вони утворюють групу сильномагнітних речовин - феромагнетиків. Феромагнетики підсилюють зовнішнє поле в сотні і тисячі разів.

Відносна магнітна проникність феромагнетика спочатку швидко зростає із збільшенням H , досягає максимуму і потім спадає, прямуючи до одиниці при сильних намагнічуючих полях.

— температура фазового переходу другого роду, при якій відбувається стрибкоподібна зміна властивостей речовини. При температурі Кюрі відбувається фазовий перехід від феромагнетика до парамагнетика або між полярною й неполярною фазами сегнетоелектрка.

Позначається здебільшого .

Однією з основних особливостей сильномагнітних мінералів є залежність їхньої магнітної індукції або намагніченості від напруженості поля. Як показано на рис. , первинне намагнічування сильномагнітної речовини відбувається по кривій OAD.

При циклічному перемагніченні, що відбувається у напрямку вказаному стрілками, крива намагнічення переходе у криву гістерезису.

Крива гістерезису, отримана для умов магнітного насичення, називається граничною петлею. Основні характеристики петлі гістерезису при дослідженнях зразка сильномагнітної речовини в замкненому магнітному ланцюгу: остаточна індукція Br і коерцитивна сила Hc . Остаточна індукція Br свідчить про те, що елементарні струми у феромагнітному тілі при зникненні зовнішнього поля зберегли упорядковану орієнтацію.

7.Випромінювання електромагнітних хвиль. Досліди Герца. Вібратор Герца. Потік енергії. Вектор Умова-Поінтінга

Система зарядів і струмів, значення яких змінюються з часом, спричиняє виникнення взаємозв'язаних змінних електричних і магнітних полів. Ці змінні поля зумовлюють появу електромагнітних хвиль, що поширюються в просторі зі скінченною швидкістю. Отже, системою, що випромінює електромагнітні хвилі, може бути система змінних зарядів і струмів. . Найпростішою з подібних систем є точковий диполь, дипольний момент якого змінюється періодично в часі з певною частотою. Такий диполь (модель) називають диполем Герца (за ім'ям вченого, який вперше розрахував поле його випромінювання).

Для одержання електромагнітних хвиль необхідно електромагнітним коливанням досить високу частоту. Це можна одержати з допомогою відомого нам коливального контуру, для якого власна частота коливань

залежить від його параметрів: . Але справа в тому, що висока частота коливань ще не гарантує інтенсивного випромінювання електромагнітних хвиль.

Аналогічна ситуація з електричними зарядами на обкладинках конденсатора. Майже все електричне поле зосереджене між пластинами конденсатора, а при віддалені від них поля зарядів протилежних знаків взаємно компенсуються. Тому одержати реальні вільні електромагнітні коливання − не таке просте завдання.

Вперше електромагнітні хвилі одержав та дослідив німецький фізик Генріх Герц 1887 року. Ця задача була розв’язана з використанням вібратора Герца, названого відкрити

коливальним контуром. Вібратор Герца складався із ємності С, індуктивності L і розрядного проміжку S. Коливання в контурі збуджувалися за допомогою індуктора Т, який являв собою котушку із залізним осердям і обмотками 1 і 2. В обмотці 1 за допомогою механічного переривача П створювався пульсуючий

струм з частотою ~ 103 Гц, який в обмотці 2 з великим числом витків індукував е.р.с. високої напруги (~ 10000 В.

Для одержання незатухаючих коливань, відкритий контур зв’язують з генератором. Герц не лише одержав електромагнітні хвилі, а й показав, що вони ведуть себе подібно до інших хвиль. Він спостерігав відбивання хвиль від металевого листа, їхню інтерференцію,

дифракцію та поляризацію. Герц довів, що у всіх випадках електромагнітні хвилі поводять себе подібно до видимого випромінювання, закономірності поведінки якого на той час були добре вивчені. Важливим результатом дослідів Герца було визначення швидкості поширення електромагнітних хвиль, яка, як і доводив

Максвелл, дорівнює швидкості світла. Тому досліди Герца стали першим головним підтвердженням теорії Максвела.

Електромагнітна хвиля переносить енергію, яка складається із енергії електричного і магнітного полів.

Знайдемо густину потоку енергії, тобто енергію, яку переносить хвиля за одиницю часу через одиничну площадку, перпендикулярну до напрямку

перенесена енергія, яка зосереджена в циліндрі довжиною V·dt і площею основи dσ dW w V dt d . Одержуємо

S Em Hm .

Враховуючи напрямки векторів, останнє співвідношення запишеться у векторній формі

8.Принцип радіозв’язку і радіолокації.Шкала електромагнітних хвиль.

Для встановлення радіозв'язку треба мати передавальну і приймальну станції. Принцип радіозв'язку полягає в тому, що струми провідності передавача за допомогою антени перетворюються в струми зміщення (швидкозмінне електричне поле), які поширюються в просторі без провідників. Досягаючи приймача, ці струми зміщення знову перетворюються в струми провідності, які діють на індикаторний пристрій (телефон, гучномовець, телеграфний апарат та ін.). Блочні схеми передавача та приймача подано на рис.14.8 та 14.9.

Розглянемо призначення і дію окремих елементів радіопередавача. Звукові коливання за допомогою мікрофона перетворюються в електричні коливання, які потрапляють у підсилювач низької (звукової) чистоти. Коливання, утворені голосом людини,— це коливання низьких частот (у межах від 75 до 3000 Гц), антени ж можуть випромінювати електромагнітні хвилі тільки тоді, коли їх частоти більші від 106 Гц (довжина хвиль від 3 км). Тому радіопередавач неодмінно повинен мати генератор високої частоти та підсилювач генерованих коливань (Раніше ми ознайомилися з використанням тріода для генерації незатухаючих коливань).

Радіомовлення основане на модулюванні високочастотних коливань низькочастотними: на передавальній станції низькочастотні звукові коливання накладаються на високочастотні. Модулювати можна такі параметри: амплітуду, частоту або фазу випромінюваних хвиль.

Амплітудна модуляція являє собою зміну амплітуди напруженостей електричного і магнітного полів радіохвиль високої частоти за законом звукової частоти. Зміна амплітуди

електромагнітних коливаннях передавача і переносяться від нього до приймача електромагнітними хвилями високої частоти (несучої частоти).

Модульовані електромагнітні хвилі, які випромінює передавач, поширюються в навколишньому просторі із швидкістю світла і досягають радіоприймача.

Радіоприймач прямого підсилення складається з таких основних елементів: вибірного пристрою (антени та коливального контура), підсилювача високої частоти (ПВЧ), детектора, підсилювача низької частоти (ПНЧ), індикатора звукових коливань (гучномовець) (рис.14.9).

Під впливом електромагнітної хвилі в приймальній антені індукуються модульовані струми високої частоти, тотожні струмам передавача, але менш потужні. Отже, приймальна антена добуває енергію з електромагнітних хвиль, які до неї приходять, і перетворює її в енергію електричних струмів. Але до приймальної антени приходять одночасно електромагнітні хвилі від різних передавачів та сторонніх випромінювачів (електричних установок, грозових розрядівтощо). Тому для виділення потрібних радіохвиль приймач повинен мати спеціальний пристрій для забезпечення частотної вибірності – коливальний контур, який настроюється на необхідну несучу частоту. Сприйнятий сигнал спочатку підсилюється у підсилювачі високої частоти (ПВЧ) та демодулюється, або детектується.

Детектування – це виділення коливань низької (звукової) частоти з модульованого сигналу високої частоти. Для детектування коливань треба увімкнути в коло пристрій з неоднаковою провідністю в двох напрямах, наприклад, напівпровідниковий випрямляч або електронну лампу.

Від коливального контура до діода підводиться напруга високої частоти. При цьому в діоді виникає випрямлений пульсуючий високочастотний струм, в якому амплітуда імпульсів змінюється за законом модуляції. Обвідна імпульсів відтворює форму низькочастотних коливань, утворених модулятором передавача. Після підсилення струм низької частоти надходить до телефона або гучномовця, які відтворюють звукові коливання, утворені на передавальній станції і перенесені до приймача радіохвилями.

Шкала електромагнiтних хвиль.

Властивості електромагнітних хвиль досить різні та залежать від довжини хвилі випромінювання. Все різноманіття довжин хвиль електромагнітного випромінювання можна поділили на шість видів, найзвичнішим з яких для нас є видиме світло.

Світло. Діапазон довжин хвиль видимого світла знаходиться між 400 нм (фіолетовий колір) і 760 нм (червоний колір). Найважливішою характеристикою видимого випромінювання є, зрозуміло, його видимість для людського ока. Саме видимі промені електромагнітного випромінювання земна атмосфера пропускає краще всього, а Сонце найактивніше випромінює у видимих променях.

Найвідчутнішими для ока є жовто-зелені промені. Спеціальне покриття на об’єктивах фотоапаратів і відеокамер, яке Ви напевно помічали по бузковому блиску, якраз покликаний пропускати всередину апаратури жовто-зелене світло і відбивати не відчутні для ока промені. Тому нам блиск об’єктиву і здається деякою сумішшю червоного і фіолетового кольорів.

Інфрачервоне випромінювання. Відомий Вільям Гершель, проводячи вимірювання енергії різних променів видимого світла, випадково виявив, що використовувані ним термометри нагріваються і за межею червоного кінця спектру. Учений зробив висновок, що існують деякі промені, що продовжують спектр за червоним світлом. Ці промені він назвав інфрачервоними. Ще їх називають тепловими, оскільки інфрачервоні промені випромінює будь-яке нагріте тіло, навіть якщо воно не світиться для ока. Діапазон

інфрачервоних хвиль досить великий і знаходиться між 760 нм і 0,5 мм. Отже, діапазон теплових променів набагато ширший, ніж видимий спектр.

Земна атмосфера пропускає зовсім невелику частину інфрачервоного випромінювання. Воно поглинається молекулами повітря, і особливо вуглекислим газом. Цей же газ винен в тому, що тепло не достатньо покидає нашу планету. Світлове випромінювання нагріває поверхню, але теплу назад в космос вийти не вдається. Такий ефект називають парниковим. У космосі вуглекислого газу небагато, тому теплові промені з невеликими втратами проходять крізь пилові хмари.

Радіохвилі. Ще більшу довжину мають радіохвилі, завдяки яким ми слухаємо радіо, дивимось телебачення, користуємось стільниковими телефонами. Все електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого більше 0,5 мм відноситься до радіохвиль. Це – довгохвильовий кінець електромагнітного спектру.

Радіохвилі в значній мірі без проблем проходять крізь земну атмосферу, і лише деякі з радіохвиль, які називають короткими, відбиваються від іонізованого шару земної атмосфери. Завдяки цьому віддзеркаленню можливий зв’язок між радіостанціями, розташованими на протилежних точках планети.

Ультрафіолетове випромінювання. Випромінювання, довжина хвилі якого коротше, ніж у видимих променів фіолетового кольору, називають ультрафіолетовим. Це випромінювання, здебільшого, шкідливо для живих організмів, проте більша частина ультрафіолету не проходить крізь атмосферу Землі − озоновий шар активно поглинає небезпечні промені.

Та частина ультрафіолету, яка примикає до видимих променів, доходить до поверхні і викликає у нас загар. У чорношкірих цей загар генетично природжений, адже загар – захисна реакція шкіри на ультрафіолет.

Ультрафіолет щедро і на всі боки «розкидається» Сонцем. Але Сонце все ж сильніше всього випромінює у видимих променях. Навпаки, гарячі блакитні зірки – могутнє джерело

Рентгенівське випромінювання. Фізик Рентген відкрив ще більш короткохвильове випромінювання, яке назвали на честь самого Рентгена. Володіючи хорошою проникаючою здатністю, рентгенівське випромінювання знайшло застосування в медицині і кристалографії. Рентгенівські промені шкідливі живим організмам. І атмосфера Землі ізза їх проникливості їм не перешкодає. Нас виручає магнітосфера Землі, яка затримує багато небезпечних випромінювань космосу.

У астрономії рентгенівські промені частіше всього згадуються в розмовах про чорні дірки, нейтронні зірки і пульсари. Могутні спалахи на Сонці також є джерелами рентгенівського випромінювання.

Гамма-випромінювання. Найкоротші хвилі у гамма-променів. Це найнебезпечніший вид радіоактивності, найнебезпечніше електромагнітне випромінювання. Енергія фотонів гамма-променів дуже висока, і їх випромінювання відбувається при деяких процесах усередині ядер атомів. Прикладом такого процесу може бути анігіляція − взаємознищення частинки і античастинки з перетворенням їх маси в енергію. Реєстровані, час від часу, таємничі гамма-спалахи на небі поки ніяк не пояснені астрономами.

Отже, електромагнітний спектр дуже строкатий. Зі всього цього різноманіття людина сприймає тепло і видиме світло. Короткохвильові види випромінювань згубно впливають на людину, але самих випромінювань вона не відчуває. Властивості електромагнітного випромінювання залежать від його довжини хвилі. Нагадаємо, що чим більше довжина хвилі, тим менше частота випромінювання.

9.Вихрове електричне поле. Струм зміщення. Повна система рівнянь Максвелла в інтегральній та диференціальній формі.

Електричне поле пов’язують із певною системою нерухомих зарядів. Але ж відомо, що нерухомість об’єктів відносно однієї системи відліку не виключає їхній рух відносно іншої інерціальної системи. Стосовно електричних зарядів це буде означати, що такі заряди будуть породжувати і електричне і магнітне поле. Це ж буде стосуватись і провідників зі струмом. Наприклад: навколо нерухомого провідника з постійним струмом існує магнітне поле. Якщо ж відносно інших інерціальних систем цей же провідник буде рухатись, то породжуване ним магнітне поле буде викликати в ньому ж вихровий струм, а останній, як відомо, супроводжується вихровим електричним полем. Отже, поле, яке відносно окремих систем відліку можна назвати „чисто” електричним, відносно інших систем − буде представляти собою сукупність і магнітного і електричного полів.

Як відомо, конденсатор у колі постійного струму становить розрив, у просторі між пластинами конденсатора існує електричне поле. Але ж у випадку розряду конденсатора, напруженість електричного поля не залишається величиною сталою. Це явище найдосконаліше вивчив Дж. Максвелл у серії праць 1860−1865 р.р.

Нехай пластини конденсатора несуть густину заряду σ (рис.13.1), простір між конденсатором заповнений діелектриком. Розряд конденсатора проходить через зовнішній провідник, при цьому струм провідності направлений від лівої обкладки до правої, а його густину можна знайти

електричного поля . Розряд конденсатора призведе до зміни густини заряду, а значить

до відповідної зміни , що можна подати так: . Величину зміни вектора електричної індукції Максвелл назвав струмом зміщення.

Оскільки, при розряді конденсатора поле між обкладинками конденсатора зменшується,

то остання похідна − від’ємна, а значить і струм зміщення напрямлений протилежно до

. Таким чином, при розрядці конденсатора, Максвелл розрізняє струм провідності та струм зміщення, а повний струм при цьому дорівнює сумі обох струмів:

.

Навколо провідників із змінним струмом електричне поле досить слабке, тому і струми зміщення дуже малі, тобто струм можна вважати лише струмом провідності. В діелектрику

жструму провідності майже немає, тому увесь струм є струмом зміщення.

Для діелектриків характерне явище поляризації. Максвелл припустив, що діелектрики

можна характеризувати відповідно струмом поляризації, який нагріває діелектрик.

Для діелектриків відомий зв’язок . Тому звідси слідує, що струм зміщення

повинен мати дві складові: струм поляризації, який визначається величиною та власне

струму зміщення, не пов’язаного із зарядами, який визначається величиною .

Отже, на відміну від струму провідності, який носить простий та зрозумілий зміст, струм зміщення не пов’язаний із переміщенням якихось частинок. В подальшому розвитку

поняття про струм зміщення Максвелл висунув сміливу гіпотезу, що навколо струму зміщення повинно існувати таке ж магнітне поле, як і навколо струму провідності. Сміливість цієї гіпотези стає особливо очевидною, оскільки вона не опиралась на дослідні дані, а навпаки − вимагала експериментальної перевірки.

Шотландський фізик Джеймс Максвелл зумів в рамках єдиної теорії об’єднати опис усіх явищ електрики і магнетизму, створивши вчення про електромагнітне поле. Максвелл показав, що всі електричні і магнітні явищ можуть бути описані всього чотирма рівняннями − такими ж фундаментальними, як закони Ньютона для механіки, причому ці рівняння справедливі, на відміну від законів Ньютона, в неінерціальних системах відліку.

Розглянемо рівняння Дж. Максвела в інтегральному вигляді.

1. Теорема Остроградського−Гаусса: потік вектора електричного зміщення через довільну замкнену поверхню, що обмежує електричні заряди дорівнює алгебраїчній сумі останніх:

, де ρ − об’ємна густина заряду; dV − елемент об’єму всередині поверхні.

починатись та закінчуватись лише на заряджених частинках чи тілах, тобто що електростатичне поле обов’язково пов’язане із зарядженими тілами.

Ампер встановив, що сума добутків довжин елементарних ділянок на складову вектора

контуру дорівнює повному струмові, що пронизує будь-яку поверхню, пов’язану із даним контуром.

навколо себе вихрове електричне поле:

.

Це рівняння є узагальненням явища електромагнітної індукції та стверджує, що змінне в часі магнітне поле утворює вихрове електричне поле. Лінії напруженості

електричного поля охоплюють лінії індукції магнітного поля у вигляді замкнутих кривих.

4.Магнітний потік через довільну замкнуту поверхню завжди дорівнює нулю

,

тобто поле вектора являється чисто вихровим. Це рівняння виражає теорему Гауса відносно потоку ліній магнітної індукції через довільну замкнуту поверхню і стверджує, що ці лінії завжди замкнуті. Рівняння Максвела виражають основні закони електромагнетизму. Головний висновок можна сформулювати так. Електричне та магнітне поле можна розглядати окремо, якщо вони незмінні в часі. Якщо ж вони змінні в часі, то розглядати їх окремо не можна, оскільки змінне в часі магнітне поле породжує змінне в просторі електричне, а змінне в часі електричне − призводить до виникнення змінного в просторі магнітного поля. Отже, головним висновком є умова виникнення електромагнітних хвиль. Цей висновок для вакууму в загальному можна математично описати системою рівнянь:

10.Передача електричної енергії на відстань.Трансформатори.

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача. Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах, внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює

Р = І2R, де І – сила струму в лінії, R – опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач:

1)зменшення опору проводів;

2)використання меншої сили струму.

Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії при такій високій напрузі взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6– 25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги

(110, 220, 380В і т. д.).

Розглянемо будову і принцип дії трансформатора.

В найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя. Одна із обмоток – первинна – вмикається до джерела змінної напруги. Під час проходження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює εі. Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також - εі. Отже, якщо первинна обмотка має N1 витків, а вторинна N2, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

Відношення k називають коефіцієнтом трансформації. Коефіцієнт трансформації визначається при холостому ході трансформатора, тобто при розімкнутому колі вторинної обмотки. Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій у ній ЕРС. В підвищувальному трансформаторі коефіцієнт трансформації k < 1 (відповідно N2 > N1), у знижувальному k > l. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна.

Увімкнемо тепер до вторинної обмотки коло, яке споживає електроенергію, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм I2 (такої самої частоти). Цей струм створює в осерді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца назустріч потоку первинної обмотки. Послаблення магнітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці, що (при постійній ) викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Але збільшення сили струму у вторинній обмотці супроводжується збільшенням сили струму самоіндукції і, отже,