Электромагнитное поле и его изменение в пространстве

Билет 9

Поверхностный слой. Поверхностное натяжение.

Вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится. Между ее моле­кулами действуют силы притяжения. Расстояния между молекулами жидкости меньше радиуса моле­кулярного действия. Если вокруг молекулы жидкости опивать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с молекулой. Эти силы взаимодействия удерживают молеку­лу жидкости около ее временного положения равновесия примерно в течение 10^-13–10^-10 с, после чего она перескакивает в новое вре­менное положение равновесия приблизительно на расстояние свое­го диаметра. Время между двумя перескоками молекулы из одного положения в другое называется временем оседлой жизни, которое уменьшается при нагревании.

В небольшом объеме жидкости наблюдается упорядочен­ное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. Т.о. в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок – квазикристаллическое (кристаллоподобное)

Если время действия силы на жидкость мало, то жидкость проявляет упругие свойства, если же ве­лико, то проявляется текучесть. При кратковременном действии силы на струю жидкости послед­няя обнаруживает хрупкость. Сжимаемость жидкости тоже очень мала. Пустоты внутри жидкости долго существовать не могут и резко захлопываются, т. е. исчезают. Это явление на­зывают кавитацией.

Жидкое состояние является промежуточным между твердым и га­зообразным состояниями вещества. Свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твер­дого состояния, чем к свойствам газообразного.

Все молекулы жидкости, находящиеся в поверх­ностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости. Т.е. поверхностный слой создает давление на жидкость, которое называют молекуляр­ным давлением.

Если внутрь жидкости попадает какое-либо тело, то между жид­костью и телом образуется слой жидкости, в котором молекулярные силы направлены от тела внутрь жидкости, т. е. сжимают жидкость, а на тело не действуют.

Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в ее по­верхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости. Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверх­ностного слоя жидкости называют свободной энергией; за счет нее может быть произведена работа, связанная с уменьше­нием свободной поверхности жидкости. Для того чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на ее поверх­ность, нужно преодолеть противодействие молекулярных сил, т. е. произвести работу, которая нужна для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости. При этом изменение свободной энергии Δ П прямо пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости Δ S:

Δ П=σ Δ S (4.1)

Так как Δ П=А, то имеем

A = σ Δ S (4.2)

Величина σ, характеризующая зависимость работы молекуляр­ных сил при изменении площади свободной поверхности жидкости от рода жидкости и внешних условий, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости (поверхностным натяжением); σ измеряется работой молекулярных сил при умень­шении площади свободной поверхности жидкости на единицу:

σ=A/ Δ S (4.2а)

За единицу измерения поверхностного натяжения σ в СИ принимается 1 Дж/м² или Н/м.

Сила F_H, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади ее свободной поверхности и на­правленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения.

Суммарное сокращение площади Δ S свободной поверхности жидкости равно 2 hl, поэтому A=σ 2 hl. Отсюда A= 2 F_Нh, или

F_H=σl (4.3)

Из (4.3) следует, что поверхностное натяжение σ численно равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.

При повышении температуры жидкости ее поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре становится равным нулю. Это показывает, что при критическом состоянии исчезает всякое различие между жидкостью и паром.

Электромагнитное поле и его изменение в пространстве

Изучая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, Д.Максвелл создал теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов.

1. переменное магнитное поле создает в окружающем его прост­ранстве вихревое электрическое поле;

2. переменное электрическое поле создает в окружающем его про­странстве вихревое магнитное поле.

Когда конденсатор включен в цепь переменного тока, то между его обкладками имеется переменное электрическое поле, а это оз­начает, что в том же пространстве должно быть магнитное поле. Таким образом, изменяющееся электрическое поле по его магнит­ному действию можно рассматривать как своеобразный электриче­ский ток без зарядов. В отличие от тока проводимости Максвелл стал называть его током смещения. Итак, при­меняя термин «электрический ток» в широком смысле слова, т. е. включая в него и ток проводимости и ток смещения, можно утверж­дать, что магнитное поле создается только электрическим током и действует только на движущиеся заряды, электрическое же поле создается электрическими зарядами и переменным магнитным полем и действует на любые электрические заряды.

Во всем про­странстве, где происходят изменения полей, одновременно сущест­вуют вихревые электрическое и магнитное поля, взаимно порождаю­щие и поддерживающие друг друга. Поскольку эти поля неразрыв­но связаны, их общее поле условились называть электромаг­нитным полем.

Если создать электромагнитные колебания в какой-либо небольшой об­ласти, то от нее должны распространяться во все стороны электро­магнитные волны с определенной скоростью. Итак, из постулатов Максвелла следует, что в природе должны существовать электро­магнитные волны.

С помощью созданной теории Максвелл доказал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света с ≈ 300 000 км/с.

Опыты и дальнейшее развитие теории Максвелла подтвердили справедливость приведенных выше постулатов Максвелла.

Выясним теперь, как с помощью колебательного контура можно создавать электромагнитные волны.

Электромагнитные волны, воздаваемые колебательным конту­ром, называют электромагнитным излучением. Для увеличения излучения контура можно раздвинуть обкладки конденсатора (рис.14.2а). Такой колебательный контур называют открытым. Однако и в этом случае интенсивность излучения оказывается недостаточной для практических целей.

А.С.Попов нашел значительно более эффективный способ увеличения мощности излучения, создаваемого контуром. Он оставил контур неизменным, но один конец катушки заземлил, а к другому концу присоединил вертикальный провод со свободным верхним концом. Этот вертикальный провод А (рис.14.2б) теперь принято называть снижением. Все устройство, которое присоединяют к коле­бательному контуру для увеличения мощности электромагнитною излучения и для приема электромагнитных волн, называют антенной (изобретена А. С. Поповым в 1895 г.).

При распространении электромагнитных волн в каждой точке про­странства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения можно предста­вить в виде колебаний векторов напряженностей Н и Е в каждой точке пространства,

Максвелл показал, что колебания этих векторов в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум

рис.14.3 рис.14.4

взаимно перпендикулярным направлениям (рис. 14.3), которые в свою очередь перпендикулярны к вектору скорости распростране­ния волны ʋ. Относительные расположения этих векторов в волне, распространяющейся от антенны А, показаны для примера в точке В. Взаимные расположения этих трех векторов в любой точке бе­гущей электромагнитной волны связаны правилом право­го винта: если головку винта расположить в плоскости векторов Е и Н и поворачивать ее в направлении от Е к Н (по кратчайшему пути), то поступательное движение винта укажет направление вектора υ, т. е. направление распространения самой волны и пере­носимой ею энергии.

Итак, векторы Е и Н колеблются в плоскости, перпендикуляр­ной к вектору υ. Это означает, что электромагнитные волны явля­ются поперечными волнами. Расположение векторов Е и Н в раз­личных точках волны для одного и того же момента времени пока­зано на рис.14.4.

Скорость распространения электромагнитных волн зависит от электрических и магнитных свойств среды, и, как вытекает из тео­рии Максвелла, ее числовое значение выражается формулой

Поскольку μ₀=μμ₀ и ε₀=εε₀, то имеем

Так как для вакуума значения μ и ε равны единице, скорость рас­пространения электромагнитных волн в вакууме

Из сравнения формул (14.8) и (14.7) получаем

или (14.9)

Величину п, показывающую, во сколько раз скорость распростра­нения электромагнитных волн в вакууме больше, чем в какой-либо среде, называют абсолютным показателем преломления этой среды:

n=c/ʋ (14.10) или (14.11)

В любой среде скорость распространения электро­магнитных волн меньше, чем в вакууме, т. е. п всегда больше единицы.

Электромагнитные волны имеют большое значение и при пере­даче электрической энергии по проводам, которые для волн явля­ются как бы направляющими рельсами. Электрические сигналы вдоль проводов распространяются со скоростью 3-10⁸ м/с, т. е. при замыкании цепи ток возникает практически одновременно во всей цепи, в то время как скорость направленного движения элект­ронов в проводе составляет десятые доли сантиметра в секунду.