2. Kuvaile Hertzin kokemusta sähkömagneettisten aaltojen havaitsemisesta
Hertzin kokeessa sähkömagneettisen häiriön lähde oli vibraattorissa (johtimessa, jonka keskellä on ilmarako) syntyneet sähkömagneettiset värähtelyt. Tähän rakoon syötettiin korkea jännite, joka aiheutti kipinäpurkauksen. Hetken kuluttua syntyi kipinäpurkaus resonaattoriin (analoginen vibraattori). Voimakkain kipinä syntyi resonaattorissa, joka sijaitsi vibraattorin rinnalla.3. Selitä Hertzin kokeen tulokset Maxwellin teorian avulla. Miksi sähkömagneettinen aalto on poikittainen?
Purkausraon läpi kulkeva virta luo induktion ympärilleen, magneettivuo kasvaa ja syntyy induktiivinen siirtymävirta. Jännitys pisteessä 1 (oppikirjan kuva 155, b) on suunnattu vastapäivään piirustuksen tasossa, pisteessä 2 virta suuntautuu ylöspäin ja aiheuttaa kohdassa 3 induktion, jännitys suuntautuu ylöspäin. Jos jännityksen suuruus on riittävä raossa olevan ilman sähköiseen hajoamiseen, syntyy kipinä ja virta kulkee resonaattorissa.Koska magneettikentän induktiovektorien suunnat ja sähkökentän voimakkuus ovat kohtisuorassa toisiinsa ja aallon suuntaan nähden.
4. Miksi sähkömagneettisten aaltojen säteilyä esiintyy sähkövarausten kiihdytetyn liikkeen aikana? Kuinka sähkökentän voimakkuus säteilevässä sähkömagneettisessa aallossa riippuu säteilevän varautuneen hiukkasen kiihtyvyydestä?
Virran voimakkuus on verrannollinen varautuneiden hiukkasten liikenopeuteen, joten sähkömagneettista aaltoa esiintyy vain, jos näiden hiukkasten liikenopeus riippuu ajasta. Säteilevän sähkömagneettisen aallon intensiteetti on suoraan verrannollinen lähettävän varautuneen hiukkasen kiihtyvyyteen.5. Miten sähkömagneettisen kentän energiatiheys riippuu sähkökentän voimakkuudesta?
Sähkömagneettisen kentän energiatiheys on suoraan verrannollinen sähkökentän voimakkuuden neliöön.Vuonna 1864 James Clerk Maxwell ennusti sähkömagneettisten aaltojen mahdollisuutta avaruudessa. Hän esitti tämän lausunnon perustuen päätelmiin, jotka tehtiin analysoimalla kaikkia tuolloin tiedossa olevia sähköä ja magnetismia koskevia kokeellisia tietoja.
Maxwell yhdisti matemaattisesti sähködynamiikan lait yhdistäen sähköiset ja magneettiset ilmiöt ja päätyi siten siihen tulokseen, että ajan myötä muuttuvat sähkö- ja magneettikentät synnyttävät toisensa.
Aluksi hän korosti sitä tosiasiaa, että magneettisten ja sähköisten ilmiöiden välinen suhde ei ole symmetrinen, ja otti käyttöön termin "pyörresähkökenttä" tarjoten oman, todella uuden selityksen Faradayn löytämälle sähkömagneettisen induktion ilmiölle: "jokainen muutos magneettikenttä johtaa pyörresähkökentän ympäröivään tilaan, jossa on suljetut voimalinjat.
Maxwellin mukaan reilu oli päinvastainen väite, että "muuttuva sähkökenttä synnyttää magneettikentän ympäröivään tilaan", mutta tämä väite jäi aluksi vain hypoteesiksi.
Maxwell kirjoitti muistiin matemaattisen yhtälöjärjestelmän, joka kuvaili johdonmukaisesti magneetti- ja sähkökenttien keskinäisten muunnosten lakeja. Näistä yhtälöistä tuli myöhemmin sähködynamiikan perusyhtälöt, ja niistä tuli tunnetuksi "Maxwellin yhtälöt" suuren tiedemiehen kunniaksi, joka kirjoitti ne muistiin. . Maxwellin kirjoitettuihin yhtälöihin perustuva hypoteesi sisälsi useita tieteen ja tekniikan kannalta erittäin tärkeitä johtopäätöksiä, jotka on esitetty alla.
Sähkömagneettisia aaltoja on todella olemassa
Avaruudessa voi esiintyä poikittaisia sähkömagneettisia aaltoja, jotka etenevät ajan myötä. Aaltojen poikittaissuuntaisuuden osoittaa se, että magneettisen induktion B ja sähkökentänvoimakkuuden E vektorit ovat keskenään kohtisuorassa ja molemmat sijaitsevat tasossa, joka on kohtisuorassa sähkömagneettisen aallon etenemissuuntaa vastaan.
Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus aineessa on äärellinen, ja sen määräävät sen aineen sähköiset ja magneettiset ominaisuudet, jonka läpi aalto etenee. Tässä tapauksessa siniaallon pituus λ on suhteessa nopeuteen υ tietyllä tarkalla suhteella λ = υ / f ja riippuu kentän värähtelyjen taajuudesta f. Sähkömagneettisen aallon nopeus c tyhjiössä on yksi fysikaalisista perusvakioista - valon nopeus tyhjiössä.
Koska Maxwell julisti sähkömagneettisen aallon etenemisnopeuden äärellisyyden, aiheutti tämä ristiriidan hänen hypoteesinsa ja tuolloin hyväksytyn pitkän kantaman teorian välille, jonka mukaan aaltojen etenemisnopeuden olisi pitänyt olla ääretön. Maxwellin teoriaa kutsuttiin siksi lyhyen kantaman toiminnan teoriaksi.
Sähkömagneettisessa aallossa sähkö- ja magneettikenttien muuntaminen toisiinsa tapahtuu samanaikaisesti, joten magneettisen energian ja sähköenergian tilavuustiheydet ovat keskenään yhtä suuret. Siksi väite on totta, että sähkökentän voimakkuuden ja magneettikentän induktion moduulit ovat yhteydessä jokaisessa avaruuden pisteessä seuraavalla suhteella:
Sähkömagneettinen aalto sen etenemisprosessissa luo sähkömagneettisen energian virtauksen, ja jos tarkastellaan aluetta tasossa, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan, niin lyhyessä ajassa tietty määrä sähkömagneettista energiaa liikkuu sen läpi. Sähkömagneettisen energiavuon tiheys on energiamäärä, jonka sähkömagneettinen aalto kuljettaa pinta-alan yksikköpinnan läpi aikayksikköä kohti. Korvaamalla nopeuden arvot sekä magneetti- ja sähköenergian, voimme saada lausekkeen vuotiheydelle suureiden E ja B suhteen.
Koska aaltoenergian etenemissuunta osuu yhteen aallon etenemisnopeuden suunnan kanssa, sähkömagneettisessa aallossa etenevä energiavuo voidaan määrittää vektorilla, joka on suunnattu samalla tavalla kuin aallon etenemisnopeus. Tätä vektoria kutsutaan "Poynting-vektoriksi" - brittiläisen fyysikon Henry Poyntingin kunniaksi, joka kehitti vuonna 1884 teorian sähkömagneettisen kentän energiavirran leviämisestä. Aaltoenergiavuon tiheys mitataan W/m².
Kun sähkökenttä vaikuttaa aineeseen, siihen ilmaantuu pieniä virtoja, jotka ovat sähköisesti varautuneiden hiukkasten määrättyä liikettä. Nämä sähkömagneettisen aallon magneettikentän virrat altistuvat ampère-voiman vaikutukselle, joka suuntautuu syvälle aineeseen. Ampeerin voima ja synnyttää seurauksena painetta.
Tämän ilmiön myöhemmin, vuonna 1900, tutki ja vahvisti kokeellisesti venäläinen fyysikko Pjotr Nikolajevitš Lebedev, jonka kokeellinen työ oli erittäin tärkeä vahvistamaan Maxwellin sähkömagnetismiteoriaa ja sen hyväksymistä ja hyväksyntää tulevaisuudessa.
Se tosiasia, että sähkömagneettinen aalto kohdistaa painetta, mahdollistaa mekaanisen impulssin läsnäolon sähkömagneettisessa kentässä, joka voidaan ilmaista tilavuusyksikköä varten sähkömagneettisen energian tilavuustiheydellä ja aallon etenemisnopeudella tyhjiössä:
Koska liikemäärä liittyy massan liikkeeseen, voidaan ottaa käyttöön sellainen käsite kuin sähkömagneettinen massa, ja sitten yksikkötilavuuden osalta tämä suhde (SRT:n mukaisesti) saa yleisen luonnonlain luonteen ja tulee olemaan voimassa kaikille aineellisille kappaleille aineen muodosta riippumatta. Ja sähkömagneettinen kenttä on silloin samanlainen kuin materiaalikappale - sillä on energia W, massa m, liikemäärä p ja äärellinen etenemisnopeus v. Eli sähkömagneettinen kenttä on yksi luonnossa todellisuudessa esiintyvistä aineen muodoista.
Ensimmäistä kertaa vuonna 1888 Heinrich Hertz vahvisti kokeellisesti Maxwellin sähkömagneettisen teorian. Hän todisti empiirisesti sähkömagneettisten aaltojen todellisuuden ja tutki niiden ominaisuuksia, kuten taittumista ja absorptiota eri väliaineissa sekä aaltojen heijastumista metallipinnoilta.
Hertz mittasi aallonpituuden ja osoitti, että sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus. Hertzin kokeellinen työ oli viimeinen askel kohti Maxwellin sähkömagneettisen teorian tunnustamista. Seitsemän vuotta myöhemmin, vuonna 1895, venäläinen fyysikko Aleksanteri Stepanovitš Popov käytti sähkömagneettisia aaltoja langattoman viestinnän luomiseen.
Tasavirtapiireissä varaukset liikkuvat vakionopeudella, eikä sähkömagneettisia aaltoja tässä tapauksessa säteile avaruuteen. Säteilyn tapahtumiseksi on käytettävä antennia, jossa vaihtovirrat, eli nopeasti suuntaa muuttavat virrat, viritetään.
Yksinkertaisimmassa muodossaan pienikokoinen sähködipoli soveltuu sähkömagneettisten aaltojen lähettämiseen, jossa dipolimomentti muuttuisi nopeasti ajan myötä. Se on sellainen dipoli, jota kutsutaan nykyään "Hertzin dipoliksi", jonka koko on useita kertoja pienempi kuin sen lähettämä aallonpituus.
Hertsin dipolin emittoiman sähkömagneettisen energian maksimivuo putoaa tasolle, joka on kohtisuorassa dipolin akseliin nähden. Sähkömagneettista energiaa ei lähetetä dipoliakselilla. Hertzin tärkeimmissä kokeissa alkedipoleja käytettiin sekä sähkömagneettisten aaltojen lähettämiseen että vastaanottamiseen ja sähkömagneettisten aaltojen olemassaolo todistettiin.
M. Faraday esitteli kentän käsitteen:
sähköstaattinen kenttä varauksen ympärillä levossa
liikkuvien varausten (virran) ympärillä on magneettikenttä.
Vuonna 1830 M. Faraday löysi sähkömagneettisen induktion ilmiön: kun magneettikenttä muuttuu, syntyy pyörteinen sähkökenttä.
Kuva 2.7 - Vortex-sähkökenttä
missä, 
- sähkökentän voimakkuusvektori, 
- magneettisen induktion vektori.
Vaihtuva magneettikenttä luo pyörteissähkökentän.
Vuonna 1862 D.K. Maxwell esitti hypoteesin: kun sähkökenttä muuttuu, syntyy pyörremagneettikenttä.
Syntyi ajatus yhdestä sähkömagneettisesta kentästä.
Kuva 2.8 - Yhtenäinen sähkömagneettinen kenttä.
Vaihteleva sähkökenttä luo pyörremagneettikentän.
Elektromagneettinen kenttä- tämä on aineen erityinen muoto - sähkö- ja magneettikenttien yhdistelmä. Muuttuvat sähkö- ja magneettikentät ovat olemassa samanaikaisesti ja muodostavat yhden sähkömagneettisen kentän. Se on materiaalia:
Se ilmenee toiminnassa sekä lepotilassa että liikkuessa;
Se leviää suurella mutta rajallisella nopeudella;
Se on olemassa tahdostamme ja halustamme riippumatta.
Nollan latausnopeudella on vain sähkökenttä. Vakiolatauksella syntyy sähkömagneettinen kenttä.
Varauksen kiihtyvällä liikkeellä säteilee sähkömagneettista aaltoa, joka etenee avaruudessa äärellisellä nopeudella .
Sähkömagneettisten aaltojen idean kehitys kuuluu Maxwellille, mutta Faraday tiesi jo niiden olemassaolosta, vaikka hän pelkäsi julkaista teoksen (se luettiin yli 100 vuotta hänen kuolemansa jälkeen).
Pääehto sähkömagneettisen aallon syntymiselle on sähkövarausten nopeutettu liike.
Mikä on sähkömagneettinen aalto, on helppo kuvitella seuraava esimerkki. Jos heität kiviä veden pinnalle, pinnalle muodostuu ympyröissä eroavia aaltoja. Ne liikkuvat esiintymisensä lähteestä (häiriöstä) tietyllä etenemisnopeudella. Sähkömagneettisilla aalloilla häiriöt ovat avaruudessa liikkuvia sähkö- ja magneettikenttiä. Ajassa muuttuva sähkömagneettinen kenttä aiheuttaa välttämättä vaihtuvan magneettikentän ja päinvastoin. Nämä kentät ovat yhteydessä toisiinsa.
Sähkömagneettisten aaltojen spektrin päälähde on aurinkotähti. Osa sähkömagneettisten aaltojen spektristä näkee ihmissilmän. Tämä spektri on alueella 380...780 nm (kuva 2.1). Näkyvässä spektrissä silmä havaitsee valon eri tavalla. Sähkömagneettiset värähtelyt eri aallonpituuksilla aiheuttavat erivärisen valon tunteen.
Kuva 2.9 - Sähkömagneettisten aaltojen spektri
Osa sähkömagneettisten aaltojen spektristä käytetään radio- ja televisiolähetys- ja viestintätarkoituksiin. Sähkömagneettisten aaltojen lähde on lanka (antenni), jossa sähkövaraukset vaihtelevat. Kenttien muodostumisprosessi, joka alkoi langan läheltä, asteittain, kohta kohdalta, vangitsee koko tilan. Mitä korkeampi on langan läpi kulkevan ja sähkö- tai magneettikentän muodostavan vaihtovirran taajuus, sitä voimakkaampia langan synnyttämät tietyn pituiset radioaallot ovat.
Radio(lat. radio - emit, emit rays ← säde - säde) - langattoman viestinnän tyyppi, jossa avaruudessa vapaasti eteneviä radioaaltoja käytetään signaalin kantajana.
radioaallot(radiosta...), sähkömagneettiset aallot, joiden aallonpituus > 500 µm (taajuus< 6×10 12 Гц).
Radioaallot ovat sähkö- ja magneettikenttiä, jotka muuttuvat ajan myötä. Radioaaltojen etenemisnopeus vapaassa tilassa on 300 000 km/s. Tämän perusteella voit määrittää radioaallon pituuden (m).
λ=300/f, missä f - taajuus (MHz)
Puhelinkeskustelun aikana syntyneet ilman äänivärähtelyt muunnetaan mikrofonin avulla äänitaajuisiksi sähköisiksi värähtelyiksi, jotka välittyvät johtoja pitkin tilaajan laitteisiin. Siellä, linjan toisessa päässä, ne muunnetaan puhelimen lähettimen avulla ilmavärähtelyiksi, jotka tilaaja havaitsee ääninä. Puhelimessa viestintävälineet ovat johdot, radiolähetyksissä radioaallot.
Minkä tahansa radioaseman lähettimen "sydän" on generaattori - laite, joka tuottaa korkean, mutta tiukasti vakiotaajuuden värähtelyjä tietylle radioasemalle. Nämä tarvittavaan tehoon vahvistetut radiotaajuiset värähtelyt menevät antenniin ja herättävät ympäröivässä tilassa sähkömagneettisia värähtelyjä, joilla on täsmälleen sama taajuus - radioaaltoja. Radioaaltojen poistumisnopeus radioaseman antennista on yhtä suuri kuin valon nopeus: 300 000 km / s, mikä on lähes miljoona kertaa nopeampi kuin äänen eteneminen ilmassa. Tämä tarkoittaa, että jos lähetin kytkettäisiin päälle tietyllä hetkellä Moskovan yleisradioasemalla, niin sen radioaallot saavuttaisivat Vladivostokissa alle 1/30 sekunnissa ja ääni ehtisi etenemään tänä aikana vain 10- 11 m.
Radioaallot leviävät paitsi ilmassa myös siellä, missä niitä ei ole, esimerkiksi ulkoavaruudessa. Tässä ne eroavat ääniaalloista, joihin ilma tai jokin muu tiheä väliaine, kuten vesi, on ehdottoman välttämätöntä.
sähkömagneettinen aalto
on avaruudessa etenevä sähkömagneettinen kenttä (vektorien värähtelyt 
). Varauksen lähellä sähkö- ja magneettikentät muuttuvat vaihesiirrolla p/2.
Kuva 2.10 - Yhtenäinen sähkömagneettinen kenttä.
Suurella etäisyydellä varauksesta sähkö- ja magneettikentät muuttuvat vaiheittain.
Kuva 2.11 - Saman vaiheen muutos sähkö- ja magneettikentissä.
Sähkömagneettinen aalto on poikittainen.
Sähkömagneettisen aallon nopeuden suunta osuu yhteen oikean ruuvin liikesuunnan kanssa, kun käännetään vektorin kahvaa 
vektoriin 
.
Kuva 2.12 - Sähkömagneettinen aalto.
Lisäksi sähkömagneettisessa aallossa suhde 
, missä c on valon nopeus tyhjiössä.
Maxwell laski teoreettisesti sähkömagneettisten aaltojen energian ja nopeuden.
Täten, aaltoenergia on suoraan verrannollinen taajuuden neljänteen potenssiin. Tämä tarkoittaa, että aallon helpottamiseksi kiinnittämiseksi sen on oltava korkeataajuinen.
G. Hertz (1887) löysi sähkömagneettiset aallot.
Suljettu värähtelypiiri ei säteile sähkömagneettisia aaltoja: kaikki kondensaattorin sähkökentän energia muunnetaan kelan magneettikentän energiaksi. Värähtelytaajuus määräytyy värähtelypiirin parametrien mukaan: 
.
Kuva 2.13 - Värähtelevä piiri.
Taajuuden lisäämiseksi on tarpeen vähentää L:tä ja C:tä, ts. käännä kela suoraksi langaksi ja kuten 
, pienennä levyjen pinta-alaa ja levitä ne mahdollisimman pitkälle. Tämä osoittaa, että saamme pohjimmiltaan suoran johtimen.
Tällaista laitetta kutsutaan Hertz-vibraattoriksi. Keskiosa leikataan ja liitetään suurtaajuusmuuntajaan. Johtojen päiden välissä, joihin on kiinnitetty pieniä pallomaisia johtimia, hyppää sähköinen kipinä, joka on sähkömagneettisen aallon lähde. Aalto etenee siten, että sähkökentän voimakkuusvektori värähtelee siinä tasossa, jossa johdin sijaitsee.
Kuva 2.14 - Hertz vibraattori.
Jos sama johdin (antenni) asetetaan rinnakkain emitterin kanssa, siinä olevat varaukset värähtelevät ja heikkoja kipinöitä hyppää johtimien väliin.
Hertz löysi kokeessa sähkömagneettiset aallot ja mittasi niiden nopeuden, joka oli sama kuin Maxwellin laskema ja yhtä suuri kuin c=3. 10 8 m/s.
Vaihtoehtoinen sähkökenttä synnyttää vaihtuvan magneettikentän, joka puolestaan tuottaa vaihtosähkökentän, eli antenni, joka virittää yhden kentistä, aiheuttaa yhden sähkömagneettisen kentän ilmaantumisen. Tämän kentän tärkein ominaisuus on, että se etenee sähkömagneettisten aaltojen muodossa.
Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus häviöttömässä väliaineessa riippuu väliaineen suhteellisen dielektrisestä ja magneettisesta läpäisevyydestä. Ilman osalta väliaineen magneettinen läpäisevyys on yhtä suuri kuin yksi, joten sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus on tässä tapauksessa yhtä suuri kuin valon nopeus.
Antenni voi olla pystysuora johto, joka saa virtansa suurtaajuusgeneraattorista. Generaattori kuluttaa energiaa nopeuttaakseen vapaiden elektronien liikettä johtimessa, ja tämä energia muunnetaan vaihtuvaksi sähkömagneettiseksi kenttään eli sähkömagneettisiksi aalloksi. Mitä suurempi generaattorin virran taajuus on, sitä nopeammin sähkömagneettinen kenttä muuttuu ja sitä voimakkaampi aaltojen paraneminen.
Antennijohtimeen on kytketty sekä sähkökenttä, jonka voimalinjat alkavat positiivisista ja päättyvät negatiivisiin varauksiin, että magneettikenttä, jonka linjat sulkeutuvat johtimen virran ympärille. Mitä lyhyempi värähtelyjakso on, sitä vähemmän aikaa jää sidottujen kenttien energian palaamiseen johtoon (eli generaattoriin) ja sitä enemmän se siirtyy vapaisiin kenttiin, jotka etenevät edelleen sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Sähkömagneettisten aaltojen tehokas säteily tapahtuu aallonpituuden ja säteilevän langan pituuden yhteneväisyyden ehdolla.
Siten voidaan todeta, että radioaalto- tämä on sähkömagneettinen kenttä, joka ei liity emitteriin ja kanavan muodostaviin laitteisiin ja joka etenee vapaasti avaruudessa aallon muodossa, jonka värähtelytaajuus on 10 -3 - 10 12 Hz.
Antennissa olevien elektronien värähtelyt synnyttävät jaksollisesti muuttuvan EMF:n lähde T. Jos jossain vaiheessa antennin kentällä oli maksimiarvo, niin sillä on sama arvo jonkin ajan kuluttua T. Tänä aikana antennissa alkuhetkellä olemassa ollut sähkömagneettinen kenttä siirtyy kauemmaksi
λ = υТ (1)
Kutsutaan minimietäisyyttä kahden avaruuden pisteen välillä, joissa kentällä on sama arvo aallonpituus. Kuten kohdasta (1), aallonpituus seuraa λ riippuu sen etenemisnopeudesta ja antennissa olevien elektronien värähtelyjaksosta. Kuten taajuus nykyinen f = 1/T, sitten aallonpituus λ = υ / f .
Radiolinkki sisältää seuraavat pääosat:
Lähetin
Vastaanotin
Väline, jossa radioaallot etenevät.
Lähetin ja vastaanotin ovat radiolinkin ohjattavia osia, koska on mahdollista lisätä lähettimen tehoa, kytkeä tehokkaampi antenni ja lisätä vastaanottimen herkkyyttä. Media on radiolinkin hallitsematon osa.
Ero radioliikennelinjan ja langallisten linjojen välillä on se, että langallisissa linjoissa käytetään johtoja tai kaapeleita kytkentälinkkinä, jotka ovat ohjattuja elementtejä (voit muuttaa niiden sähköisiä parametreja).
Monet aaltoprosessien mallit ovat luonteeltaan universaaleja ja pätevät yhtä lailla eri luonteeltaan aalloille: mekaaniset aallot elastisessa väliaineessa, aallot veden pinnalla, venytetyssä nauhassa jne. Sähkömagneettiset aallot, jotka ovat aaltojen etenemisprosessia. sähkömagneettisen kentän värähtelyt eivät ole poikkeus. Mutta toisin kuin muut aallot, jotka etenevät jossakin materiaalisessa väliaineessa, sähkömagneettiset aallot voivat levitä tyhjiössä: sähkö- ja magneettikenttien leviämiseen ei tarvita materiaalista väliainetta. Sähkömagneettisia aaltoja voi kuitenkin esiintyä tyhjiön lisäksi myös aineessa.
Sähkömagneettisten aaltojen ennustaminen. Maxwell ennusti teoriassa sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon hänen ehdottamansa sähkömagneettista kenttää kuvaavan yhtälöjärjestelmän analyysin tuloksena. Maxwell osoitti, että sähkömagneettinen kenttä tyhjiössä voi esiintyä myös ilman lähteitä - varauksia ja virtoja. Kenttä ilman lähteitä on muodoltaan äärellisellä nopeudella cm/s etenevien aaltojen muotoinen, jossa sähkö- ja magneettikenttien vektorit kullakin ajan hetkellä kussakin avaruuden pisteessä ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden ja kohtisuorassa aallon suuntaa vastaan. eteneminen.
Hertz löysi ja tutki kokeellisesti sähkömagneettiset aallot vain 10 vuotta Maxwellin kuoleman jälkeen.
avoin vibraattori. Ymmärtääksemme kuinka sähkömagneettisia aaltoja voidaan saada kokeellisesti, tarkastellaan "avointa" värähtelypiiriä, jossa kondensaattorilevyt siirretään erilleen (kuva 176) ja siksi sähkökenttä vie suuren tilan. Levyjen välisen etäisyyden kasvaessa kondensaattorin kapasitanssi C pienenee ja Thomsonin kaavan mukaisesti luonnollisen värähtelyn taajuus kasvaa. Jos vaihdamme myös kelan langanpalalla, niin induktanssi pienenee ja ominaistaajuus kasvaa entisestään. Tässä tapauksessa ei vain sähköinen, vaan myös magneettikenttä, joka oli aiemmin suljettu kelan sisällä, vie nyt suuren alueen tämän johdon peittävyydestä.
Piirin värähtelytaajuuden lisääntyminen sekä sen lineaaristen mittojen kasvu johtavat siihen, että luonnollinen jakso
värähtelyistä tulee verrattavissa sähkömagneettisen kentän etenemisaikaan koko piirissä. Tämä tarkoittaa, että luonnollisten sähkömagneettisten värähtelyjen prosesseja tällaisessa avoimessa piirissä ei voida enää pitää kvasistinaarisina.
Riisi. 176. Siirtyminen värähtelevästä piiristä avoimeen vibraattoriin
Virran voimakkuus eri paikoissaan samaan aikaan on erilainen: piirin päissä se on aina nolla, ja keskellä (missä käämi oli) se värähtelee maksimiamplitudilla.
Rajoitavassa tapauksessa, kun värähtelevä piiri on yksinkertaisesti muuttunut suoraksi johdinsegmentiksi, virran jakautuminen pitkin piiriä jossain ajankohtana on esitetty kuvassa. 177a. Sillä hetkellä, kun virran voimakkuus tällaisessa täryttimessä on maksimi, myös sitä peittävä magneettikenttä saavuttaa maksimin, eikä täryttimen lähellä ole sähkökenttää. Neljänneksen jakson jälkeen virranvoimakkuus katoaa ja sen mukana magneettikenttä täryttimen lähellä; sähkövaraukset ovat keskittyneet täryttimen päiden lähelle ja niiden jakautuminen on kuvan 1 mukaisessa muodossa. 1776. Sähkökenttä täryttimen lähellä tällä hetkellä on maksimi.
Riisi. 177. Virran voimakkuuden jakautuminen avointa värähtelijää pitkin sillä hetkellä, kun se on maksimi (a), ja varausten jakautuminen jakson neljänneksen jälkeen (b)
Nämä varauksen ja virran värähtelyt eli sähkömagneettiset värähtelyt avoimessa värähtelijässä ovat melko analogisia mekaanisille värähtelyille, joita voi esiintyä oskillaattorijousessa, jos siihen kiinnitetty massiivinen kappale poistetaan. Tässä tapauksessa on tarpeen ottaa huomioon jousen yksittäisten osien massa ja pitää sitä hajautettuna järjestelmänä, jossa jokaisella elementillä on sekä elastisia että inerttejä ominaisuuksia. Avoimen sähkömagneettisen värähtelijän tapauksessa jokaisella sen elementillä on myös samanaikaisesti sekä induktanssi että kapasitanssi.
Vibraattorin sähkö- ja magneettikentät. Avoimen vibraattorin värähtelyjen ei-kvasistaationaarisuus johtaa siihen, että sen yksittäisten osien tietyllä etäisyydellä täryttimestä luomat kentät eivät enää kompensoi toisiaan, kuten tapahtuu "suljetun" värähtelypiirin kanssa. niputetut parametrit, joissa värähtelyt ovat kvasistinaarisia, sähkökenttä on keskittynyt kokonaan kondensaattorin sisään ja magneettinen - kelan sisään. Tällaisen sähkö- ja magneettikenttien avaruudellisen eron vuoksi ne eivät liity suoraan toisiinsa: niiden keskinäinen muunnos johtuu vain virran ja varauksen siirrosta piiriä pitkin.
Avoimella värähtelijällä, jossa sähkö- ja magneettikentät limittyvät avaruudessa, tapahtuu niiden keskinäinen vaikutus: muuttuva magneettikenttä synnyttää pyörteissähkökentän ja muuttuva sähkökenttä magneettikentän. Tämän seurauksena tällaisten "itse ylläpitävien" kenttien olemassaolo, jotka etenevät vapaassa tilassa suurella etäisyydellä täryttimestä, on mahdollista. Nämä ovat vibraattorin lähettämiä sähkömagneettisia aaltoja.
Hertzin kokeet. Vibraattori, jonka avulla G. Hertz vuonna 1888 sai ensimmäisenä kokeellisesti sähkömagneettisia aaltoja, oli suora johdin, jonka keskellä oli pieni ilmarako (kuva 178a). Tämän raon ansiosta täryttimen kahteen puolikkaaseen voitiin kohdistua merkittäviä varauksia. Kun potentiaaliero saavutti tietyn raja-arvon, ilmavälissä tapahtui hajoaminen (kipinä hyppäsi) ja sähkövaraukset saattoivat virrata ionisoidun ilman läpi vibraattorin toisesta puoliskosta toiseen. Avoimessa piirissä syntyi sähkömagneettisia värähtelyjä. Jotta nopeat vaihtovirrat olisivat olemassa vain täryttimessä eivätkä sulkeutuisi virtalähteen kautta, täryttimen ja lähteen väliin liitettiin kuristimet (katso kuva 178a).
Riisi. 178. Hertz vibraattori
Täryttimessä on korkeataajuisia värähtelyjä niin kauan kuin kipinä sulkee puolikkaidensa välisen raon. Tällaisten värähtelyjen vaimennus täryttimessä ei johdu pääasiassa joulehäviöistä resistanssissa (kuten suljetussa värähtelypiirissä), vaan sähkömagneettisten aaltojen säteilyn vuoksi.
Sähkömagneettisten aaltojen havaitsemiseen Hertz käytti toista (vastaanottavaa) vibraattoria (kuva 1786). Emitteristä tulevan aallon vaihtuvan sähkökentän vaikutuksesta vastaanottavassa värähtelijässä olevat elektronit suorittavat pakotettuja värähtelyjä, eli värähtelijässä virittyy nopeasti vaihtovirta. Jos vastaanottavan värähtelijän mitat ovat samat kuin säteilevän, niin luonnollisten sähkömagneettisten värähtelyjen taajuudet niissä osuvat yhteen ja pakotetut värähtelyt vastaanottavassa värähtelijässä saavuttavat resonanssin vuoksi havaittavan arvon. Hertz havaitsi nämä värähtelyt kipinän kulkemisesta mikroskooppisessa raossa vastaanottavan täryttimen keskellä tai pienen kaasupurkausputken G hehkusta, joka on kytketty täryttimen puoliskojen väliin.
Hertz ei vain todennut kokeellisesti sähkömagneettisten aaltojen olemassaoloa, vaan alkoi ensimmäistä kertaa tutkia niiden ominaisuuksia - absorptiota ja taittumista eri väliaineissa, heijastuksia metallipinnoilta jne. Kokeellisesti oli myös mahdollista mitata sähkömagneettisten aaltojen nopeutta, joka osoittautui yhtä suureksi kuin valon nopeus.
Sähkömagneettisten aaltojen nopeuden yhteensopivuus valon nopeuden kanssa, joka mitattiin kauan ennen niiden löytämistä, toimi lähtökohtana valon tunnistamiselle sähkömagneettisista aalloista ja sähkömagneettisen valon teorian luomisesta.
Sähkömagneettinen aalto on olemassa ilman kenttien lähteitä siinä mielessä, että sen emission jälkeen aallon sähkömagneettinen kenttä ei liity lähteeseen. Tällä tavalla sähkömagneettinen aalto eroaa staattisista sähkö- ja magneettikentistä, joita ei ole olemassa lähteestä erillään.
Sähkömagneettisten aaltojen säteilymekanismi. Sähkömagneettisten aaltojen säteily tapahtuu sähkövarausten kiihtyvällä liikkeellä. On mahdollista ymmärtää, kuinka aallon poikittaissähkökenttä syntyy pistevarauksen säteittäisestä Coulombin kentästä käyttämällä seuraavaa J. Thomsonin ehdottamaa yksinkertaista päättelyä.
Riisi. 179. Liikkumattoman pistepanoksen kenttä
Tarkastellaan pistevarauksen synnyttämää sähkökenttää, jos varaus on levossa, niin sen sähköstaattista kenttää edustavat varauksesta lähtevät säteittäiset voimalinjat (kuva 179). Olkoon sillä hetkellä varaus jonkin ulkoisen voiman vaikutuksesta liikkumaan kiihtyvyydellä a ja jonkin ajan kuluttua tämän voiman vaikutus pysähtyy, jolloin varaus liikkuu edelleen tasaisesti nopeudella. Varausnopeuskäyrä on esitetty kuvassa. 180.
Kuvittele kuva tämän varauksen luomista sähkökentän viivoista pitkän ajan kuluttua. Koska sähkökenttä etenee valon nopeudella c,
silloin varauksen liikkeen aiheuttama muutos sähkökentässä ei päässyt sädepallon ulkopuolella oleviin pisteisiin: tämän pallon ulkopuolella kenttä on sama kuin paikallaan olevalla varauksella (kuva 181). Tämän kentän voimakkuus (Gaussin yksikköjärjestelmässä) on yhtä suuri
Varauksen kiihtyneen liikkeen aiheuttama sähkökentän koko muutos ajan myötä on ohuen pallomaisen paksuuskerroksen sisällä, jonka ulompi säde on yhtä suuri kuin ja sisempi - Tämä näkyy kuvassa 1. 181. Sädepallon sisällä sähkökenttä on tasaisesti liikkuvan varauksen kenttä.
Riisi. 180. Maksunopeuskaavio
Riisi. 181. Kuvan 2 kaavion mukaan liikkuvan varauksen sähkökenttävoimakkuuden viivat. 180
Riisi. 182. Kiihdytetyn liikkuvan varauksen säteilykentän intensiteetin kaavan johtamiseen
Jos varauksen nopeus on paljon pienempi kuin valon nopeus c, niin tämä kenttä osuu ajanhetkellä yhteen paikallaan olevan pistevarauksen kentän kanssa, joka sijaitsee etäällä alusta (kuva 181): a:n kenttä. tasaisella nopeudella hitaasti liikkuva varaus liikkuu sen mukana, ja varauksen kulkema matka ajan kuluessa, kuten kuvasta 17 voidaan nähdä. 180, voidaan pitää yhtä suurena, jos r»t.
Kuva pallomaisen kerroksen sisällä olevasta sähkökentästä on helppo löytää, kun otetaan huomioon voimalinjojen jatkuvuus. Tätä varten sinun on yhdistettävä vastaavat säteittäiset voimalinjat (kuva 181). Varauksen kiihdytetyn liikkeen aiheuttama mutka voimalinjoissa "karkaa" varauksesta nopeudella c. Mutka voimalinjojen välillä
pallot, tämä on meitä kiinnostava säteilykenttä, joka etenee nopeudella c.
Säteilykentän löytämiseksi harkitse yhtä intensiteettiviivaa, joka muodostaa tietyn kulman varauksen liikkeen suunnan kanssa (kuva 182). Jaotamme katkoksen E sähkökentän voimakkuuden vektorin kahdeksi komponentiksi: radiaali- ja poikittaiskomponentti. Säteittäinen komponentti on varauksen etäisyyden päässä siitä luoman sähköstaattisen kentän voimakkuus:
Poikittaiskomponentti on sähkökentän voimakkuus aallossa, jonka varaus lähettää kiihdytetyn liikkeen aikana. Koska tämä aalto kulkee sädettä pitkin, vektori on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan. Kuvasta 182 osoittaa sen
Korvaamalla tämän kohdasta (2), löydämme
Ottaen huomioon, että suhde on kiihtyvyys a, jolla varaus liikkui ajanjakson aikana 0:sta arvoon, kirjoitetaan tämä lauseke muotoon
Ensinnäkin kiinnitämme huomiota siihen, että aallon sähkökentän voimakkuus pienenee käänteisesti etäisyyden keskustasta, toisin kuin sähköstaattisen kentän voimakkuus, joka on verrannollinen tällaiseen riippuvuuteen etäisyydestä, ja olisi odotettavissa, jos otamme huomioon energian säilymisen lain. Koska aallon eteneessä tyhjiössä ei tapahdu energian absorptiota, minkä tahansa säteen pallon läpi kulkenut energiamäärä on sama. Koska pallon pinta-ala on verrannollinen sen säteen neliöön, sen pintayksikön läpi kulkevan energiavirran on oltava kääntäen verrannollinen säteen neliöön. Ottaen huomioon, että aallon sähkökentän energiatiheys on yhtä suuri, päättelemme, että
Lisäksi todetaan, että kaavan (4) aallon kentänvoimakkuus ajanhetkellä riippuu varauksen kiihtyvyydestä ja sillä hetkellä, kun tällä hetkellä säteilevä aalto saavuttaa etäisyyden päässä olevan pisteen ajan kuluttua. yhtä kuin
Värähtelevän varauksen säteily. Oletetaan nyt, että varaus liikkuu koko ajan suoraa linjaa pitkin vaihtelevalla kiihtyvyydellä lähellä origoa, esimerkiksi se suorittaa harmonisia värähtelyjä. Niin kauan kuin se on, se lähettää sähkömagneettisia aaltoja jatkuvasti. Aallon sähkökentän voimakkuus etäisyyden päässä koordinaattien origosta sijaitsevassa pisteessä määräytyy edelleen kaavalla (4), ja kenttä ajanhetkellä riippuu varauksen a kiihtyvyydestä aikaisemmalla hetkellä
Olkoon varauksen liike harmoninen värähtely origon lähellä tietyllä amplitudilla A ja taajuudella w:
Varauksen kiihtyvyys tällaisen liikkeen aikana saadaan lausekkeella
Korvaamalla varauskiihtyvyyden kaavaan (5) saadaan
Muutos sähkökentässä missä tahansa kohdassa sellaisen aallon kulun aikana on harmonista värähtelyä, jonka taajuus on , eli värähtelevä varaus säteilee monokromaattista aaltoa. Tietenkin kaava (8) pätee etäisyyksillä, jotka ovat suurempia kuin varausvärähtelyjen amplitudi A.
Sähkömagneettisen aallon energia. Varauksen lähettämän monokromaattisen aallon sähkökentän energiatiheys saadaan kaavalla (8):
Energiatiheys on verrannollinen varauksen värähtelyamplitudin neliöön ja taajuuden neljänteen potenssiin.
Kaikki vaihtelut liittyvät energian säännöllisiin siirtymiin muodosta toiseen ja päinvastoin. Esimerkiksi mekaanisen oskillaattorin värähtelyihin liittyy kineettisen energian ja elastisen muodonmuutoksen potentiaalienergian keskinäisiä muutoksia. Tutkiessamme sähkömagneettisia värähtelyjä piirissä, näimme, että mekaanisen oskillaattorin potentiaalienergian analogi on kondensaattorissa olevan sähkökentän energia ja liike-energian analogi on kelan magneettikentän energia. Tämä analogia ei päde vain paikallisille värähtelyille, vaan myös aaltoprosesseille.
Elastisessa väliaineessa kulkevassa monokromaattisessa aallossa kineettiset ja potentiaaliset energiatiheydet kussakin pisteessä suorittavat harmonisia värähtelyjä kaksinkertaisella taajuudella ja siten, että niiden arvot ovat samat milloin tahansa. Se on sama liikkuvassa monokromaattisessa sähkömagneettisessa aallossa: sähkö- ja magneettikenttien energiatiheydet, jotka tekevät harmonisen värähtelyn taajuudella, ovat keskenään samat joka pisteessä milloin tahansa.
Magneettikentän energiatiheys ilmaistaan induktion B:nä seuraavasti:
Yhdistäen sähkö- ja magneettikenttien energiatiheydet liikkuvassa sähkömagneettisessa aallossa, olemme vakuuttuneita siitä, että tällaisen aallon magneettikentän induktio riippuu koordinaateista ja ajasta samalla tavalla kuin sähkökentän voimakkuus. Toisin sanoen liikkuvassa aallossa magneettikentän induktio ja sähkökentän voimakkuus ovat keskenään yhtä suuria missä tahansa pisteessä milloin tahansa (Gaussin yksikköjärjestelmässä):
Sähkömagneettisen aallon energiavirta. Sähkömagneettisen kentän kokonaisenergiatiheys liikkuvassa aallossa on kaksi kertaa sähkökentän energiatiheys (9). Aallon kantama energiavuon tiheys y on yhtä suuri kuin energiatiheyden ja aallon etenemisnopeuden tulo. Kaavan (9) avulla voidaan nähdä, että minkä tahansa pinnan läpi kulkeva energiavuo värähtelee taajuuden mukaan Energiavuon tiheyden keskiarvon löytämiseksi on tarpeen laskea lauseke (9) ajan mittaan keskiarvoon. Koska keskiarvo on 1/2, saamme
Riisi. 183. Energian kulmajakauma", jonka värähtelevä varaus lähettää
Energiavuon tiheys aallossa riippuu suunnasta: siihen suuntaan, jossa varausvärähtelyt tapahtuvat, energiaa ei säteile lainkaan, suurin määrä energiaa emittoituu tähän suuntaan nähden kohtisuorassa tasossa. 183. Varaus värähtelee akselia pitkin
energiasuunta, eli kaaviossa on viiva, joka yhdistää näiden segmenttien päät.
Energian jakautumiselle avaruudessa suuntiin on tunnusomaista pinta, joka saadaan kiertämällä kaaviota akselin ympäri
Sähkömagneettisten aaltojen polarisaatio. Täryttimen harmonisten värähtelyjen aikana synnyttämää aaltoa kutsutaan monokromaattiseksi. Monokromaattiselle aallolle on tunnusomaista tietty taajuus ω ja aallonpituus X. Aallonpituus ja taajuus liittyvät toisiinsa aallon etenemisnopeuden c kautta:
Sähkömagneettinen aalto tyhjiössä on poikittainen: aallon sähkömagneettisen kentän voimakkuuden vektori, kuten yllä olevasta päättelystä ilmenee, on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaan nähden. Piirretään kuvan 1 havaintopisteen Р läpi. 184 origoon keskitetty pallo, jonka ympäri säteilevä varaus värähtelee akselia pitkin. Piirrä siihen yhtäläisyyksiä ja meridiaaneja. Tällöin aaltokentän vektori E suunnataan tangentiaalisesti meridiaaniin ja vektori B on kohtisuorassa vektoriin E nähden ja suunnattu tangentiaalisesti rinnakkaissuuntaan.
Tämän tarkistamiseksi tarkastelkaamme tarkemmin sähkö- ja magneettikenttien välistä suhdetta liikkuvassa aallossa. Nämä kentät aallon emission jälkeen eivät enää liity lähteeseen. Kun aallon sähkökenttä muuttuu, syntyy magneettikenttä, jonka voimalinjat, kuten näimme siirtymävirran tutkimuksessa, ovat kohtisuorassa sähkökentän voimalinjoja vastaan. Tämä vaihtuva magneettikenttä, joka muuttuu, johtaa vuorostaan pyörteisen sähkökentän ilmestymiseen, joka on kohtisuorassa sen synnyttäneeseen magneettikenttään nähden. Näin ollen aallon etenemisen aikana sähkö- ja magneettikenttä tukevat toisiaan pysyen keskenään kohtisuorassa koko ajan. Koska liikkuvassa aallossa sähkö- ja magneettikentät muuttuvat vaiheittain toistensa kanssa, aallon hetkellinen "muotokuva" (vektorit E ja B viivan eri kohdissa etenemissuunnassa) on kuvan 1 mukaisessa muodossa. 185. Tällaista aaltoa kutsutaan lineaarisesti polarisoiduksi. Harmoninen värähtelevä varaus säteilee lineaarisesti polarisoituneita aaltoja kaikkiin suuntiin. Lineaarisesti polarisoidussa aallossa, joka kulkee mihin tahansa suuntaan, vektori E on aina samassa tasossa.
Koska lineaarisen sähkömagneettisen vibraattorin varaukset suorittavat juuri sellaisen värähtelevän liikkeen, vibraattorin lähettämä sähkömagneettinen aalto on lineaarisesti polarisoitunut. Tämä on helppo todentaa kokeellisesti muuttamalla vastaanottavan vibraattorin suuntaa suhteessa lähettävään.
Riisi. 185. Sähkö- ja magneettikentät liikkuvassa lineaarisesti polarisoidussa aallossa
Signaali on suurin, kun vastaanottava värähtelijä on samansuuntainen lähettävän kanssa (katso kuva 178). Jos vastaanottava tärytin käännetään kohtisuoraan lähettävään täryttimeen nähden, signaali katoaa. Sähköisiä värähtelyjä vastaanottavassa värähtelijässä voi esiintyä vain vibraattoria pitkin suunnatun aallon sähkökentän komponentin vuoksi. Siksi tällainen koe osoittaa, että aallon sähkökenttä on yhdensuuntainen säteilevän vibraattorin kanssa.
Myös muut sähkömagneettisten poikkiaaltojen polarisaatiotyypit ovat mahdollisia. Jos esimerkiksi vektori E jossain pisteessä aallon kulun aikana pyörii tasaisesti etenemissuunnan ympäri, itseisarvoltaan muuttumattomana, niin aaltoa kutsutaan ympyräpolarisoiduksi tai ympyrässä polarisoiduksi. Välitön "muotokuva" tällaisen sähkömagneettisen aallon sähkökentästä on esitetty kuvassa. 186.
Riisi. 186. Sähkökenttä liikkuvassa ympyräpolarisoidussa aallossa
Ympyräpolarisoitu aalto saadaan laskemalla yhteen kaksi saman taajuuden ja amplitudin omaavaa lineaarisesti polarisoitua aaltoa, jotka etenevät samaan suuntaan ja joiden sähkökenttävektorit ovat keskenään kohtisuorassa. Jokaisessa aallossa sähkökenttävektori kussakin pisteessä suorittaa harmonisen värähtelyn. Jotta tällaisten keskenään kohtisuorassa olevien värähtelyjen summa johtaisi tuloksena olevan vektorin kiertoon, tarvitaan vaihesiirto, eli yhteenlasketut lineaarisesti polarisoidut aallot on siirrettävä neljänneksellä aallonpituudesta toisiinsa nähden.
Aallon vauhti ja kevyt paine. Energian ohella sähkömagneettisella aallolla on myös liikemäärä. Jos aalto absorboituu, sen liikemäärä siirtyy esineeseen, joka absorboi sen. Tästä seuraa, että absorption aikana sähkömagneettinen aalto kohdistaa painetta esteeseen. Aaltopaineen alkuperä ja tämän paineen arvo voidaan selittää seuraavasti.
Suunnattu suoraan. Tällöin varauksen P absorboima teho on yhtä suuri kuin
Oletetaan, että este absorboi kaiken tulevan aallon energian. Koska aalto tuo energiaa esteen pinnan pinta-alayksikköä kohden aikayksikköä kohden, aallon normaalissa esiintymisessä kohdistama paine on yhtä suuri kuin aallon energiatiheys. Absorboituneen sähkömagneettisen aallon painevoima antaa esteelle yksikköä kohti. aika impulssi on yhtä suuri kuin kaavan (15) mukaan absorboitunut energia jaettuna valon nopeudella . Ja tämä tarkoittaa, että absorboidulla sähkömagneettisella aallolla oli liikemäärä, joka on yhtä suuri kuin energia jaettuna valon nopeudella.
Ensimmäistä kertaa sähkömagneettisten aaltojen paineen löysi kokeellisesti P. N. Lebedev vuonna 1900 erittäin hienovaraisissa kokeissa.
Miten kvasistationaariset sähkömagneettiset värähtelyt suljetussa värähtelypiirissä eroavat korkeataajuisista värähtelyistä avoimessa värähtelijässä? Anna minulle mekaaninen analogia.
Selitä, miksi sähkömagneettiset aallot eivät säteile suljetussa piirissä sähkömagneettisten kvasistationaaristen värähtelyjen aikana. Miksi säteilyä tapahtuu sähkömagneettisten värähtelyjen aikana avoimessa värähtelijässä?
Kuvaile ja selitä Hertzin kokeita sähkömagneettisten aaltojen herättämisestä ja havaitsemisesta. Mikä rooli kipinävälillä on lähettävissä ja vastaanottavissa vibraattoreissa?
Selitä, kuinka sähkövarauksen kiihdytetyn liikkeen myötä pitkittäinen sähköstaattinen kenttä muuttuu sen lähettämän sähkömagneettisen aallon poikittaissähkökenttään.
Osoita energianäkökohtien perusteella, että värähtelijän lähettämän palloaallon sähkökentän voimakkuus pienenee 1 1r (toisin kuin sähköstaattinen kenttä).
Mikä on monokromaattinen sähkömagneettinen aalto? Mikä on aallonpituus? Miten se liittyy taajuuteen? Mikä on sähkömagneettisten aaltojen poikittaisominaisuus?
Mikä on sähkömagneettisen aallon polarisaatio? Millaisia polarisaatiotyyppejä tiedät?
Mitä argumentteja voit antaa perustellaksesi sen tosiasian, että sähkömagneettisella aallolla on liikemäärä?
Selitä Lorentzin voiman rooli esteen sähkömagneettisen aallon painevoiman esiintymisessä.
Vuosina 1860-1865. yksi 1800-luvun suurimmista fyysikoista James Clerk Maxwell loi teorian elektromagneettinen kenttä. Maxwellin mukaan sähkömagneettisen induktion ilmiö selitetään seuraavasti. Jos jossain avaruuden pisteessä magneettikenttä muuttuu ajan myötä, syntyy myös sähkökenttä. Jos kentässä on suljettu johdin, sähkökenttä aiheuttaa siihen induktiovirran. Maxwellin teoriasta seuraa, että myös käänteinen prosessi on mahdollinen. Jos jollain avaruuden alueella sähkökenttä muuttuu ajan myötä, syntyy myös magneettikenttä.
Siten mikä tahansa muutos ajan myötä magneettikentässä johtaa muuttuvaan sähkökenttään, ja mikä tahansa muutos ajan myötä sähkökentässä aiheuttaa muuttuvan magneettikentän. Nämä tuottavat toisiaan vuorottelevia sähkö- ja magneettikenttiä muodostavat yhden sähkömagneettisen kentän.
Sähkömagneettisten aaltojen ominaisuudet
Tärkein Maxwellin muotoilemasta sähkömagneettisen kentän teoriasta seuraava tulos oli ennustus sähkömagneettisten aaltojen olemassaolosta. sähkömagneettinen aalto- sähkömagneettisten kenttien leviäminen tilassa ja ajassa.
Sähkömagneettiset aallot, toisin kuin elastiset (ääni) aallot, voivat levitä tyhjiössä tai missä tahansa muussa aineessa.
Tyhjiössä olevat sähkömagneettiset aallot etenevät nopeudella c = 299 792 km/s, eli valon nopeudella.
Aineessa sähkömagneettisen aallon nopeus on pienempi kuin tyhjiössä. Mekaanisilla aalloilla saatu suhde aallonpituuden, sen nopeuden, jakson ja värähtelytaajuuden välillä pätee myös sähkömagneettisille aalloilla:
Jännitysvektorin vaihtelut E ja magneettinen induktiovektori B esiintyvät keskenään kohtisuorassa tasossa ja kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan (nopeusvektori).
Sähkömagneettinen aalto kuljettaa energiaa.
Sähkömagneettinen aaltoalue
Ympärillämme on monimutkainen eri taajuuksien sähkömagneettisten aaltojen maailma: tietokoneiden näyttöjen, matkapuhelimien, mikroaaltouunien, televisioiden jne. säteily. Tällä hetkellä kaikki sähkömagneettiset aallot on jaettu aallonpituuden mukaan kuuteen pääalueeseen.
radioaallot- nämä ovat sähkömagneettisia aaltoja (aallonpituudella 10 000 m - 0,005 m), jotka lähettävät signaaleja (informaatiota) etäisyyden yli ilman johtoja. Radioviestinnässä radioaallot syntyvät antennissa virtaavista suurtaajuisista virroista.
Sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on 0,005 m - 1 mikroni, ts. radioaaltojen ja näkyvän valon välillä kutsutaan infrapunasäteily. Infrapunasäteilyä lähettää mikä tahansa kuumentunut keho. Infrapunasäteilyn lähteitä ovat uunit, akut, hehkulamput. Erikoislaitteiden avulla infrapunasäteily voidaan muuntaa näkyväksi valoksi ja kuvia kuumennetuista kohteista voidaan saada täydellisessä pimeydessä.
Vastaanottaja näkyvä valo sisältävät säteilyn, jonka aallonpituus on noin 770 nm - 380 nm, punaisesta violettiin. Tämän sähkömagneettisen säteilyn spektrin osan merkitys ihmisen elämässä on poikkeuksellisen suuri, koska ihminen saa lähes kaiken tiedon ympärillään olevasta maailmasta näön avulla.
Silmälle näkymätöntä sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on violettia lyhyempi, kutsutaan UV-säteily. Se voi tappaa patogeeniset bakteerit.
röntgensäteilyä silmälle näkymätön. Se kulkee ilman merkittävää absorptiota merkittävien kerrosten läpi näkyvälle valolle läpäisemätöntä ainetta, jota käytetään sisäelinten sairauksien diagnosointiin.
Gammasäteily kutsutaan sähkömagneettiseksi säteilyksi, jota säteilevät virittyneet ytimet ja joka syntyy alkuainehiukkasten vuorovaikutuksesta.
Radioviestinnän periaate
Värähtelypiiriä käytetään sähkömagneettisten aaltojen lähteenä. Tehokasta säteilyä varten piiri "avataan", ts. luoda edellytykset kentän "menemiselle" avaruuteen. Tätä laitetta kutsutaan avoimeksi värähteleväksi piiriksi - antenni.
radioviestintä kutsutaan tiedonsiirroksi sähkömagneettisten aaltojen avulla, joiden taajuudet ovat välillä - Hz.
Tutka (tutka)
Laite, joka lähettää ultralyhyitä aaltoja ja vastaanottaa ne välittömästi. Säteily suoritetaan lyhyillä pulsseilla. Pulssit heijastuvat esineistä, jolloin signaalin vastaanottamisen ja käsittelyn jälkeen voidaan asettaa etäisyys kohteeseen.
Nopeustutka toimii samalla periaatteella. Ajattele kuinka tutka määrittää liikkuvan auton nopeuden.
