Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн

Дисциплина: Физика

Преподаватель: Першунина Е.В.

Учебный материал на 28 и 29 апреля

Конспект занятия

Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн

Механические волны не могут распространяться в вакууме, т.е. для их существования необходимо наличие упругой среды: газа, жидкости или твердого тела.

В отличии от них, существуют волны и не нуждаются в наличии какого-либо вещества. То есть, они могут существовать и в вакууме. Такие волны называются электромагнитными волнами.

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.

В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (т.е. электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Получается замкнутый круг: поля могут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме, и этот процесс может повторяться до бесконечности.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Из теории электромагнитного поля Максвелла вытекает, что по своей природе электромагнитное поле не может быть локализовано в месте зарождения, а распространяется в пространстве. При этом данный процесс распространяется в пространстве по всем направлениям.

Так вот, распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, иными словами, какие физические величины периодически меняются в ней?

Известно, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции,а количественной характеристикой электрического поля служит его напряженность. Поэтому, когда говорится о том, что магнитное и электрическое поля меняются, то понимается, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряженности электрического поля.

Теперь давайте посмотрим, какими свойствами обладает электромагнитная волна.

Первое самое важное свойство, электромагнитных волн непосредственно вытекает из открытых Максвеллом законов электромагнетизма — это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн. Т.е. если в какой-либо малой области пространства будет периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения будут повторяться и в других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей.

Максвелл чисто математически показал, что скорость такого распространения в вакууме зависит только от диэлектрической и магнитной постоянных, т.е. равна скорости света.

А в среде эта скорость меньше и зависит как от диэлектрической, так и от магнитной проницаемостей среды.

Вот что по этому поводу писал сам Максвелл в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений ».

Под периодическими изменениями электрического и магнитного полей понимают колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Так вот, оказывается, что колебания этих векторов происходят перпендикулярно вектору скорости распространения электромагнитной волны. Отсюда, мы можем сделать вывод о том, что электромагнитная волна — это поперечная волна. Это и есть второе свойство электромагнитной волны.

Третье свойство непосредственно вытекает из второго. Так как электромагнитная волна является поперечной, то колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Помимо выше сказанного, вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля образуют с вектором скорости распространения, так называемую, правовинтовую систему. Т.е. если расположить головку правого винта в плоскости векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля и будем ее поворачивать по кратчайшему пути в направлении от вектора к вектору , то поступательное движение острия винта укажет нам направление вектора скорости в данный момент времени. Это есть четвертое свойство электромагнитной волны.

Пятое свойство говорит о том, что период электромагнитной волны равен периоду колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн. Т.е. справедливы соотношения:

Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны — это шестое свойство.

Энергию электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

где V —объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

При этом переносимая электромагнитной волной энергия пропорциональна четвертой степени частоты. В связи с этим, источником интенсивных электромагнитных волн, т.е. волн, способных переносить энергию на большие расстояния, должны быть электромагнитные колебания с частотой порядка 10⁶ Гц. Однако никакие современные генераторы не могут создать переменный ток такой частоты, так как в этом случае якорь генератора должен совершать миллион оборотов в секунду. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур, циклическая частота колебаний которого, согласно формуле, будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Седьмое свойство говорит о том, что электромагнитные волны в однородной среде распространяются прямолинейно, при переходе из одной среды в другую испытывают преломление и отражаются от преград.

В свое время все эти работы Максвелла вызвали шок среди ученых. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо ».

К сожалению, Максвелл не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который только через 20 лет в серии своих экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.

Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения способом резонанса. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур, который можно получить из закрытого путем раздвижения пластин конденсатора и уменьшением их площади до тех пор, пока не получится просто прямой провод.

В таком открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределяются по всему проводнику, при этом ток в данный момент времени во всех сечениях проводника будет направлен в одну и ту же сторону. Однако сила тока в различных сечениях проводника неодинакова — на концах она равна нулю, а в центре — максимальная.

Для возбуждения колебаний в таком открытом контуре, во времена Герца, поступали следующим образом: провод разрезали посредине так, чтобы оставался небольшой промежуток. При подаче от индукционной катушки высокого напряжения в промежутке проскакивала искра, которая и закорачивала его. За время горения искры, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (его еще называют резонатор) также состоял из проволоки с искровым промежутком. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.

В результате проделанных Герцем опытов были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Однако сам Герц считал, что полученные им электромагнитные волны невозможно использовать в больших масштабах и тем более передавать с их помощью какую-либо информацию.

Таким образом, Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны. Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, все должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были "Генрих Герц", зашифрованные азбукой Морзе.

Любопытно, но за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Хьюз также продемонстрировал перед крупными учеными эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. Однако, в результате многочисленных обсуждений, ученые решили, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Хьюз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца уже стала общепринятой.

На данный момент известно, что буквально всё пространство вокруг нас пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов.

Границы этих диапазонов весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

– плавка и закалка металлов, изготовление постоянных магнитов;

– телевидение и радиосвязь;

– мобильная связь и радиолокация;

– сварка, резка и плавка металлов лазерами, приборы ночного видения;

– освещение и голография;

– люминесценция в газоразрядных лампах и закаливание живых организмов;

– рентгенотерапия;

– дефектоскопия и исследование внутренней структуры атомов;

– и многое-многое другое.

Основные выводы:

– Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

– Электромагнитные взаимодействия в природе не происходят мгновенно – они распространяются с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.

– Для излучения электромагнитных волн необходимо иметь открытый колебательный контур, в котором будут генерироваться электромагнитные колебания высокой частоты.

 

"Принцип радио-телефонной связи.

Простейший радиоприемник "

Впервые электромагнитные волны экспериментально получил, передал на расстояние (правда, в пределах стола) и принял Генрих Герц. В качестве колебательных контуров он использовал так называемые диполи (или вибраторы) Герца: два стержня с шариками, между которыми был оставлен определенный зазор. К шарикам от индукционной катушки подводили достаточно высокое напряжение, и между ними проскакивала искра и в пространстве возникало электромагнитное поле, а, следовательно, и электромагнитная волна. Приемник был сделан аналогичным образом, только расстояние между шариками было уменьшено. Герц наблюдал электромагнитные колебания по искоркам, проскакивающим между проводниками приемного вибратора.

Опыты Герца показали, что с помощью электромагнитных волн можно отправлять и принимать сигналы, но все это делалось на малом расстоянии, в пределах стола лаборатории. Проведя важный для науки эксперимент, Герц не увидел практической ценности использования электромагнитных волн и даже сам отрицал возможность их применения.

Однако эти опыты заинтересовали физиков всего мира. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель высшего учебного заведения в Кронштадте Александр Степанович Попов, создавший в апреле 1895 года первый в мире радиоприемник, в котором прием сигналов регистрировался с помощью электрического звонка.

Схема передатчика Попова довольно проста — это колебательный контур, который состоит из индуктивности (вторичной обмотки катушки), питаемой батареи и ёмкости (искрового промежутка). Если нажать на ключ, то в искровом промежутке катушки проскакивает искра, вызывающая электромагнитные колебания в антенне. Антенна является открытым вибратором и излучает электромагнитные волны, которые, достигнув антенны приемной станции, возбуждают в ней электрические колебания.

Для регистрации принятых волн, Александр Степанович Попов применил специальный прибор — когерер (от латинского слова «когеренцио » — сцепление), состоящий из стеклянной трубки, в которой находятся металлические опилки. В левый конец трубки введена металлическая пластина, в правый — провод, соприкасающийся с опилками. В обычных условиях сопротивление опилок велико, но под действием электрических колебаний между ними проскакивают искорки, опилки слипаются, и сопротивление когерера резко уменьшается.

Попов включил когерер в цепь, содержащую источник тока и звонок, молоточек которого при действии звонка мог ударяться по резиновой трубке. Когда сопротивление когерера велико, сила тока, постоянно идущего в цепи недостаточна для притяжения якоря в реле. С появлением электромагнитной волны сопротивление когерера падает, сила тока в цепи увеличивается, якорь реле замыкает цепь электромагнита, включенного параллельно цепи когерера, и молоточек звонка сигнализирует о приходе волны. При этом цепь электромагнита размыкается, и молоточек ударяет по когереру. Сопротивление его резко увеличивается, и реле размыкает цепь звонка.

В июне 1895 года Александр Степанович Попов усовершенствовал свой приемник, добавив к нему вертикальный провод — приемную антенну, а в марте 1896 —телеграфный аппарат для приема словесного текста, и получил возможность записывать сигналы на телеграфную ленту. 24 марта 1896 года были переданы первые слова с помощью азбуки Морзе — «Генрих Герц».

А уже в 1898 году Александр Степанович осуществил радиосвязь между двумя кораблями на расстояние 5 км.

В 1899 году его ученик Петр Николаевич Рыбкин обнаружил возможность приема радиотелеграфных сигналов на слух. Вскоре после этого Попов сконструировал первый специальный радиоприемник и тем самым положил начало развитию радиотелефонной связи.

Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник Попова, основные принципы их действия те же.

Вообще радиосвязь представляет собой довольно сложный процесс. Поэтому мы рассмотрим лишь наиболее общие принципы одного из ее видов — радиотелефонной связи, т.е. передачи звуковой информации с помощью электромагнитных волн.

Радиопередачи стали возможны после создания генератора незатухающих колебаний. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне с помощью микрофона превращаются в электрические колебания той же формы. Трудность передачи звукового сигнала состоит в том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, а колебания звукового диапазона — это низкочастотные колебания, для излучения которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие расстояния.

Радиопередающее устройство содержит следующие основные элементы: задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразующий энергию источника постоянного напряжения в гармонические колебания высокой частоты. Частоту этих колебаний называют несущей. Она должна быть строго постоянной. Далее, преобразователь сообщений в электрический сигнал, используемый для модуляции колебаний несущей частоты. Вид преобразователя зависит от физической природы передаваемого сигнала: при звуковом сигнале преобразователем является микрофон, при передаче изображений — передающая телевизионная трубка. Следующий элемент — это модулятор, в котором происходит модуляция высокочастотного сигнала в соответствии с частотой звукового сигнала, несущего информацию, подлежащую передаче. Модуляция — это процесс изменение амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала. Обычно еще имеется один или два каскадаусилителямощности модулированного сигнала. И излучающаяантенна, предназначенная для излучения электромагнитных волн в окружающее пространство.

Под воздействием модулированных высокочастотных колебаний в передающей антенне возникает переменный ток высокой частоты. Этот ток порождает в пространстве вокруг антенны электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн и достигает антенн радиоприемников.

Радиоприемное устройство предназначено для приема информации, передаваемой с помощью электромагнитных волн, излучаемых передающей антенной радиопередатчика.

Радиоприемное устройство содержит следующие основные элементы: приемная антенна, которая служит для улавливания электромагнитных колебаний. Резонансный контур, настраиваемый на определенную частоту, который из множества принятых антенной сигналов выделяет полезный сигнал. В резонансном контуре в результате резонанса происходит увеличение амплитуды напряжения принятых колебаний. Однако при этом дополнительная высокочастотная энергия не создается и мощность принятого сигнала не возрастает. Более того, она даже несколько уменьшается из-за неизбежных потерь энергии на активном сопротивлении входной цепи. Мощность принятого сигнала исключительно мала. Поэтому в усилителе высокой частоты повышается напряжение принятого сигнала и увеличивается его мощность. Детекторный каскад, в котором усиленный модулированный высокочастотный сигнал преобразуется и из него выделяется модулирующий сигнал, несущий передаваемую информацию. Следовательно, детектирование — это процесс, обратный модуляции. В качестве детектора используют приборы с нелинейной характеристикой — электронные лампы и полупроводниковые приборы. Выделенное в детекторном каскаде модулирующее напряжение низкой частоты мало и его усиливают в усилителе низкой частоты. После усиления низкочастотный сигнал поступает на громкоговоритель.

В телевидении используются более высокие (порядка миллиарда герц) несущие частоты. Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн. Такие волны распространяются обычно лишь в пределах прямой видимости антенны. Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики чаще и поднимать их антенны выше. Так, например, Останкинская телевизионная башня в Москве высотой 540 метров обеспечивает уверенный прием телепередач в радиусе 120 километров.

Зона уверенного приема телевидения непрерывно увеличивается в связи с появлением и использованием ретрансляционных спутников.

Получение цветного изображения осуществляется за счет передачи видеосигналов, несущих компоненты изображения, соответствующие основным цветам спектра красному, зеленому и синему.

В настоящее время различные средства связи развиваются и совершенствуются в уже освоенных областях, а также находят и новые области применения. Еще совсем недавно междугородняя телефонная связь осуществлялась только по воздушным линиям связи. На ее надежность влияли грозы и возможность обледенения проводов. В настоящее же время широко применяются кабельные и радиорелейные линии, сотовая мобильная связь, повышается уровень автоматизации связи.

Успехи в области космической радиосвязи позволили создать систему связи, названную " Орбита ". В этой системе используются ретрансляционные спутники связи.

Спутники связи серии " Молния " запускаются на сильно вытянутые орбиты. Период их обращения составляет около 12 часов. Созданы мощные и надежные системы, обеспечивающие телевизионным вещанием районы Сибири и Дальнего Востока и позволяющие осуществить телефонно-телеграфную связь с отдаленными районами страны.

Новые спутники связи серии " Радуга " запускаются на орбиту радиусом около 36000 км. На этой орбите период обращения спутника равен 24 часам, поэтому спутник все время находится над одной и той же точкой поверхности Земли. Совершенствуются и находят новые применения и такие сравнительно старые средства связи, как телеграф и фототелеграф. О размахе, который получила передача неподвижных изображений по фототелеграфу, можно судить по таким цифрам: в год по фототелеграфу передается до 70 тысяч газетных полос, с которых печатается свыше 3 миллиардов экземпляров газет.

Основные выводы:

– Радиосвязь — это процесс передачи и приема информации с помощью электромагнитных волн.

– Амплитудная модуляция — это процесс изменения амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала.

– Процесс, обратный модуляции называется детектированием.

 

Тест

Вопрос 1

Кто экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн?

Варианты ответов

1. Альберт Эйнштейн

1. Джеймс Максвелл
2. Генрих Герц
3. Александр Попов

Вопрос 2

Какой вывод можно сделать из электромагнитной теории Максвелла

Варианты ответов

1. среди ответов нет правильного

1. переменные электрические и магнитные поля гасят друг друга
2. переменные электрические и магнитные поля взаимно дополняют друг друга
3. переменные электрические и магнитные поля взаимно порождают друг друга

Вопрос 3

Электромагнитной волной называется

Варианты ответов

1. распространяющееся в пространстве магнитное поле

1. распространяющееся в пространстве электромагнитное поле
2. распространяющееся в пространстве электрическое поле
3. среди ответов нет правильного

Вопрос 4

Какое предложение о магнитном поле сделал Максвелл?

Варианты ответов

1. Магнитное поле гасится постоянным электрическим поле

1. Магнитное поле создается переменным электрическим полем
2. Магнитное поле создается постоянным электрическим полем
3. Магнитное поле гасится переменным электрическим полем

Вопрос 5

Каково направление векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в электромагнитной волне?

Варианты ответов

1. вдоль направления распространения волны, параллельно друг друг

1. параллельно друг другу и перпендикулярно направлению распространения
2. перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны
3. среди ответов нет правильного

Вопрос 6

Чему равна скорость электромагнитной волны?

Варианты ответов

1. скорости света

1. скорости звука
2. это переменная величина
3. значение скорости электромагнитной волны до сих пор не вычислена

Вопрос 7

По мнению многих ученых, в том числе и Максвелла, электромагнитные волны могли распространяться только в особой среде. Как они ее называли и существовала ли она на самом деле?

Варианты ответов

1. эфир, нет

1. эфир, да
2. альтаир, да
3. альтаир, нет

Вопрос 8

Кто первым рассмотрел практическое применение электромагнитных волн?

Варианты ответов

1. Максвелл

1. Попов
2. Физо
3. Герц

Вопрос 9

Электромагнитные волны излучаются

Варианты ответов

1. они существуют сами по себе и никем не излучаются

1. покоящимися заряженными частицами
2. среди ответов нет правильного
3. движущимися заряженными частицами

Вопрос 10

Кто измерил давление света?

Варианты ответов

1. Максвелл

1. Лебедев
2. Герц
3. Попов

 

Источник:

1. Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн. Урок 18. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/19-eliektromaghnitnaia-volna-svoistva-eliektromaghnitnykh-voln.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 05.04.2020).

2. Принцип радио-телефонной связи. Простейший радиоприемник. Урок 19. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/20-printsip-radio-tieliefonnoi-sviazi-prostieishii-radiopriiemnik.html – Видеоуроки– (Дата обращения: 12.04.2020).

 

Домашнее задание:

1. Изучите тему: «Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн» и "Принцип радио-телефонной связи.

Простейший радиоприемник ".

2. Выполните тест письменно в тетради.

Срок сдачи: 01.05.2020

Адрес электронной почты, на который выслать выполненное задание: lenapersh78@mail.ru

Критерии оценивания:

Оценка «5» ставится за работу, выполненную без ошибок и недочетов или имеющую не более одного недочета. Оценка «4» ставится за работу, выполненную полностью, но при наличии в ней: а) не более одной негрубой ошибки и одного недочета, б) или не более двух недочетов. Оценка «3» ставится в том случае, если ученик правильно выполнил не менее половины работы или допустил: а) не более двух грубых ошибок, б) или не более одной грубой ошибки и одного недочета, в) или не более двух-трех негрубых ошибок, г) или одной негрубой ошибки и трех недочетов, д) или при отсутствии ошибок, но при наличии 4-5 недочетов. Оценка «2» ставится, когда число ошибок и недочетов превосходит норму, при которой может быть выставлена оценка «3», или если правильно выполнено менее половины работы.