2. Descrieți experiența lui Hertz în detectarea undelor electromagnetice
În experimentul lui Hertz, sursa perturbațiilor electromagnetice au fost oscilațiile electromagnetice care au apărut într-un vibrator (un conductor cu un spațiu de aer în mijloc). Acest interval a fost aplicat o tensiune înaltă, a provocat o descărcare de scânteie. După un moment, în rezonator a apărut o descărcare de scânteie (un vibrator analog). Cea mai intensă scânteie a apărut în rezonator, care era situat paralel cu vibratorul.3. Explicați rezultatele experimentului lui Hertz folosind teoria lui Maxwell. De ce este o undă electromagnetică transversală?
Curentul prin golul de descărcare creează inducție în jurul său, fluxul magnetic crește și are loc un curent de deplasare inductiv. Tensiunea la punctul 1 (Fig. 155, b din manual) este îndreptată în sens invers acelor de ceasornic în planul desenului, în punctul 2 curentul este direcționat în sus și provoacă inducție în punctul 3, tensiunea este îndreptată în sus. Dacă mărimea tensiunii este suficientă pentru o defecțiune electrică a aerului din spațiu, atunci apare o scânteie și un curent curge în rezonator.Deoarece direcțiile vectorilor de inducție a câmpului magnetic și intensitatea câmpului electric sunt perpendiculare între ele și pe direcția undei.
4. De ce are loc radiația undelor electromagnetice în timpul mișcării accelerate a sarcinilor electrice? Cum depinde intensitatea câmpului electric dintr-o undă electromagnetică radiată de accelerația particulei încărcate radiante?
Puterea curentului este proporțională cu viteza de mișcare a particulelor încărcate, astfel încât o undă electromagnetică apare numai dacă viteza de mișcare a acestor particule depinde de timp. Intensitatea undei electromagnetice emise este direct proporțională cu accelerația particulei încărcate emițătoare.5. Cum depinde densitatea de energie a unui câmp electromagnetic de intensitatea câmpului electric?
Densitatea de energie a unui câmp electromagnetic este direct proporțională cu pătratul intensității câmpului electric.În 1864, James Clerk Maxwell a prezis posibilitatea existenței undelor electromagnetice în spațiu. El a înaintat această afirmație pe baza concluziilor care decurg din analiza tuturor datelor experimentale cunoscute la acea vreme referitoare la electricitate și magnetism.
Maxwell a unificat matematic legile electrodinamicii, conectând fenomenele electrice și magnetice, și astfel a ajuns la concluzia că câmpurile electrice și magnetice care se modifică în timp dau naștere reciproc.
Inițial, el a subliniat faptul că relația dintre fenomenele magnetice și electrice nu este simetrică și a introdus termenul de „câmp electric vortex”, oferind o explicație proprie, cu adevărat nouă, pentru fenomenul de inducție electromagnetică descoperit de Faraday: „fiecare schimbare în câmpul magnetic duce la apariția unui spațiu înconjurător al unui câmp electric vortex având linii de forță închise.
Potrivit lui Maxwell, a fost afirmația inversă că „un câmp electric în schimbare dă naștere unui câmp magnetic în spațiul înconjurător”, dar această afirmație a rămas la început doar o ipoteză.
Maxwell a notat un sistem de ecuații matematice care a descris în mod consecvent legile transformărilor reciproce ale câmpurilor magnetice și electrice, aceste ecuații au devenit ulterior ecuațiile de bază ale electrodinamicii și au devenit cunoscute sub numele de „ecuațiile lui Maxwell” în onoarea marelui om de știință care le-a notat. . Ipoteza lui Maxwell, bazată pe ecuațiile scrise, a avut câteva concluzii extrem de importante pentru știință și tehnologie, care sunt prezentate mai jos.
Undele electromagnetice chiar există
În spațiu pot exista unde electromagnetice transversale, care se propagă în timp. Faptul că undele sunt transversale este indicat de faptul că vectorii inducției magnetice B și intensității câmpului electric E sunt reciproc perpendiculari și ambii se află într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei electromagnetice.
Viteza de propagare a undelor electromagnetice într-o substanță este finită și este determinată de proprietățile electrice și magnetice ale substanței prin care se propagă unda. În acest caz, lungimea undei sinusoidale λ este legată de viteza υ printr-o anumită relație exactă λ = υ / f, și depinde de frecvența f a oscilațiilor câmpului. Viteza c a unei unde electromagnetice în vid este una dintre constantele fizice fundamentale - viteza luminii în vid.
Din moment ce Maxwell a declarat caracterul finit al vitezei de propagare a undelor electromagnetice, aceasta a creat o contradicție între ipoteza lui și teoria cu rază lungă acceptată la acea vreme, conform căreia viteza de propagare a undelor ar fi trebuit să fie infinită. Prin urmare, teoria lui Maxwell a fost numită teoria acțiunii cu rază scurtă de acțiune.
Într-o undă electromagnetică, transformarea câmpurilor electrice și magnetice unul în celălalt are loc simultan, prin urmare densitățile volumetrice ale energiei magnetice și ale energiei electrice sunt egale între ele. Prin urmare, afirmația este adevărată că modulele intensității câmpului electric și inducției câmpului magnetic sunt interconectate în fiecare punct din spațiu prin următoarea relație:
O undă electromagnetică în procesul de propagare creează un flux de energie electromagnetică, iar dacă luăm în considerare aria într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei, atunci în scurt timp o anumită cantitate de energie electromagnetică se va deplasa prin ea. Densitatea fluxului de energie electromagnetică este cantitatea de energie transportată de o undă electromagnetică prin suprafața unei unități de suprafață pe unitatea de timp. Prin înlocuirea valorilor vitezei, precum și a energiei magnetice și electrice, putem obține o expresie pentru densitatea fluxului în termeni de mărimi E și B.
Deoarece direcția de propagare a energiei undei coincide cu direcția vitezei de propagare a undei, fluxul de energie care se propagă într-o undă electromagnetică poate fi specificat folosind un vector direcționat în același mod ca și viteza de propagare a undei. Acest vector este numit „vectorul Poynting” – în onoarea fizicianului britanic Henry Poynting, care a dezvoltat în 1884 teoria propagării fluxului de energie al câmpului electromagnetic. Densitatea fluxului de energie a valurilor este măsurată în W/mp.
Când un câmp electric acționează asupra unei substanțe, în ea apar curenți mici, care sunt o mișcare ordonată a particulelor încărcate electric. Acești curenți din câmpul magnetic al unei unde electromagnetice sunt supuși acțiunii forței Ampère, care este îndreptată adânc în substanță. Forța lui Ampere și generează ca rezultat presiune.
Acest fenomen a fost mai târziu, în 1900, investigat și confirmat experimental de către fizicianul rus Pyotr Nikolaevici Lebedev, a cărui activitate experimentală a fost foarte importantă pentru confirmarea teoriei electromagnetismului a lui Maxwell și acceptarea și aprobarea ei în viitor.
Faptul că o undă electromagnetică exercită presiune face posibilă aprecierea prezenței unui impuls mecanic într-un câmp electromagnetic, care poate fi exprimat pentru o unitate de volum în termeni de densitate volumetrică a energiei electromagnetice și viteza de propagare a undelor în vid:
Deoarece impulsul este asociat cu mișcarea masei, se poate introduce un astfel de concept precum masa electromagnetică, iar apoi pentru o unitate de volum acest raport (în conformitate cu SRT) va lua caracterul unei legi universale a naturii și va fi valabil pentru orice corpuri materiale, indiferent de forma materiei. Și câmpul electromagnetic este atunci asemănător unui corp material - are energie W, masă m, impuls p și o viteză de propagare finită v. Adică câmpul electromagnetic este una dintre formele materiei care există de fapt în natură.
Pentru prima dată în 1888, Heinrich Hertz a confirmat experimental teoria electromagnetică a lui Maxwell. El a dovedit empiric realitatea undelor electromagnetice și a studiat proprietățile lor, cum ar fi refracția și absorbția în diferite medii, precum și reflectarea undelor de pe suprafețele metalice.
Hertz a măsurat lungimea de undă și a arătat că viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu viteza luminii. Lucrarea experimentală a lui Hertz a fost ultimul pas către recunoașterea teoriei electromagnetice a lui Maxwell. Șapte ani mai târziu, în 1895, fizicianul rus Alexander Stepanovici Popov a folosit undele electromagnetice pentru a crea comunicații fără fir.
În circuitele de curent continuu, sarcinile se mișcă cu o viteză constantă, iar undele electromagnetice în acest caz nu sunt radiate în spațiu. Pentru ca radiația să aibă loc, este necesar să se folosească o antenă în care sunt excitați curenți alternativi, adică curenți care își schimbă rapid direcția.
În forma sa cea mai simplă, un dipol electric de dimensiuni mici este potrivit pentru emisia de unde electromagnetice, în care momentul dipolului s-ar modifica rapid în timp. Este un astfel de dipol care se numește astăzi „dipolul hertzian”, a cărui dimensiune este de câteva ori mai mică decât lungimea de undă pe care o emite.
Atunci când este emis de un dipol hertzian, fluxul maxim de energie electromagnetică cade pe un plan perpendicular pe axa dipolului. Nu este emisă energie electromagnetică de-a lungul axei dipolului. În cele mai importante experimente ale lui Hertz, dipolii elementari au fost folosiți atât pentru emiterea, cât și pentru recepția undelor electromagnetice, și s-a dovedit existența undelor electromagnetice.
M. Faraday a introdus conceptul de câmp:
un câmp electrostatic în jurul unei sarcini în repaus
în jurul sarcinilor în mișcare (curent) există un câmp magnetic.
În 1830, M. Faraday a descoperit fenomenul inducției electromagnetice: atunci când câmpul magnetic se modifică, apare un câmp electric vortex.
Figura 2.7 - Câmp electric vortex
Unde, 
- vectorul intensității câmpului electric, 
- vector de inducție magnetică.
Un câmp magnetic alternant creează un câmp electric vortex.
În 1862 D.K. Maxwell a prezentat o ipoteză: atunci când câmpul electric se modifică, apare un câmp magnetic vortex.
A apărut ideea unui singur câmp electromagnetic.
Figura 2.8 - Câmp electromagnetic unificat.
Câmpul electric alternativ creează un câmp magnetic vortex.
Câmp electromagnetic- aceasta este o formă specială de materie - o combinație de câmpuri electrice și magnetice. Câmpurile electrice și magnetice variabile există simultan și formează un singur câmp electromagnetic. Este material:
Se manifestă în acțiune atât asupra sarcinilor în repaus, cât și în mișcare;
Se răspândește cu o viteză mare, dar finită;
Ea există independent de voința și dorințele noastre.
La o rată de încărcare de zero, există doar un câmp electric. La o rată de încărcare constantă, se generează un câmp electromagnetic.
Odată cu mișcarea accelerată a sarcinii, este emisă o undă electromagnetică, care se propagă în spațiu cu o viteză finită .
Dezvoltarea ideii undelor electromagnetice îi aparține lui Maxwell, dar Faraday știa deja despre existența lor, deși îi era frică să publice lucrarea (a fost citită la mai bine de 100 de ani de la moartea sa).
Condiția principală pentru apariția unei unde electromagnetice este mișcarea accelerată a sarcinilor electrice.
Ce este o undă electromagnetică, este ușor să ne imaginăm următorul exemplu. Dacă arunci o pietricică la suprafața apei, atunci la suprafață se formează valuri divergente în cercuri. Se deplasează de la sursa apariției lor (perturbarea) cu o anumită viteză de propagare. Pentru undele electromagnetice, perturbațiile sunt câmpuri electrice și magnetice care se mișcă în spațiu. Un câmp electromagnetic variabil în timp determină în mod necesar un câmp magnetic alternant și invers. Aceste câmpuri sunt interconectate.
Sursa principală a spectrului undelor electromagnetice este steaua Soarelui. O parte din spectrul undelor electromagnetice vede ochiul uman. Acest spectru se află în intervalul 380...780 nm (Fig. 2.1). În spectrul vizibil, ochiul percepe lumina diferit. Oscilațiile electromagnetice cu lungimi de undă diferite provoacă senzația de lumină cu culori diferite.
Figura 2.9 - Spectrul undelor electromagnetice
O parte din spectrul undelor electromagnetice este utilizată în scopuri de transmisie radio și televiziune și comunicații. Sursa undelor electromagnetice este un fir (antenă) în care fluctuează sarcinile electrice. Procesul de formare a câmpurilor, care a început în apropierea firului, treptat, punct cu punct, surprinde întregul spațiu. Cu cât este mai mare frecvența curentului alternativ care trece prin fir și generează un câmp electric sau magnetic, cu atât sunt mai intense undele radio de o lungime dată create de fir.
Radio(lat. radio - emit, emit rays ← rază - fascicul) - un tip de comunicare fără fir în care undele radio care se propagă liber în spațiu sunt folosite ca purtător de semnal.
unde radio(de la radio...), unde electromagnetice cu o lungime de undă > 500 µm (frecvență< 6×10 12 Гц).
Undele radio sunt câmpuri electrice și magnetice care se modifică în timp. Viteza de propagare a undelor radio în spațiul liber este de 300.000 km/s. Pe baza acesteia, puteți determina lungimea undei radio (m).
λ=300/f, unde f - frecvență (MHz)
Vibrațiile sonore ale aerului create în timpul unei convorbiri telefonice sunt convertite de un microfon în vibrații electrice de frecvență sonoră, care sunt transmise prin fire către echipamentul abonatului. Acolo, la celălalt capăt al liniei, cu ajutorul emițătorului telefonului, acestea sunt transformate în vibrații ale aerului percepute de abonat ca sunete. În telefonie, mijloacele de comunicare sunt firele; în radiodifuziune, undele radio.
„Inima” emițătorului oricărei stații de radio este un generator - un dispozitiv care generează oscilații de o frecvență ridicată, dar strict constantă pentru un anumit post de radio. Aceste oscilații de radiofrecvență, amplificate la puterea necesară, intră în antenă și excită în spațiul înconjurător oscilații electromagnetice de exact aceeași frecvență - undele radio. Viteza de îndepărtare a undelor radio de la antena postului de radio este egală cu viteza luminii: 300.000 km/s, care este de aproape un milion de ori mai rapidă decât propagarea sunetului în aer. Aceasta înseamnă că, dacă un transmițător a fost pornit la un anumit moment în timp la postul de radiodifuziune din Moscova, atunci undele sale radio ar ajunge la Vladivostok în mai puțin de 1/30 s, iar sunetul în acest timp ar avea timp să se propage doar 10- 11 m.
Undele radio se propagă nu numai în aer, ci și acolo unde nu există, de exemplu, în spațiul cosmic. Prin aceasta, ele diferă de undele sonore, pentru care aerul sau un alt mediu dens, cum ar fi apa, este absolut necesar.
unde electromagnetice
este un câmp electromagnetic care se propagă în spațiu (oscilații ale vectorilor 
). În apropierea sarcinii, câmpurile electrice și magnetice se modifică cu o defazare p/2.
Figura 2.10 - Câmp electromagnetic unificat.
La o distanță mare de sarcină, câmpurile electrice și magnetice se schimbă în fază.
Figura 2.11 - Schimbarea în fază a câmpurilor electrice și magnetice.
Unda electromagnetică este transversală.
Direcția vitezei undei electromagnetice coincide cu direcția de mișcare a șurubului drept atunci când se rotește mânerul brațului vectorial 
la vector 
.
Figura 2.12 - Unda electromagnetica.
Mai mult, într-o undă electromagnetică, relația 
, unde c este viteza luminii în vid.
Maxwell a calculat teoretic energia și viteza undelor electromagnetice.
Prin urmare, energia undelor este direct proporțională cu a patra putere a frecvenței. Aceasta înseamnă că pentru a fixa mai ușor unda este necesar ca aceasta să fie de înaltă frecvență.
Undele electromagnetice au fost descoperite de G. Hertz (1887).
Un circuit oscilator închis nu radiază unde electromagnetice: toată energia câmpului electric al condensatorului este convertită în energia câmpului magnetic al bobinei. Frecvența de oscilație este determinată de parametrii circuitului oscilator: 
.
Figura 2.13 - Circuit oscilator.
Pentru a crește frecvența, este necesar să scadă L și C, adică. întoarce bobina într-un fir drept și, ca 
, reduceți suprafața plăcilor și întindeți-le la distanța maximă. Acest lucru arată că obținem, în esență, un conductor drept.
Un astfel de dispozitiv se numește vibrator Hertz. Mijlocul este tăiat și conectat la un transformator de înaltă frecvență. Între capetele firelor, pe care sunt fixați mici conductori sferici, sare o scânteie electrică, care este sursa undei electromagnetice. Unda se propagă în așa fel încât vectorul intensității câmpului electric oscilează în planul în care se află conductorul.
Figura 2.14 - Vibrator Hertz.
Dacă același conductor (antenă) este plasat paralel cu emițător, atunci sarcinile din acesta vor oscila și scântei slabe vor sări între conductori.
Hertz a descoperit undele electromagnetice într-un experiment și le-a măsurat viteza, care a coincis cu cea calculată de Maxwell și egală cu c=3. 108 m/s.
Un câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ, care, la rândul său, generează un câmp electric alternativ, adică o antenă care excită unul dintre câmpuri determină apariția unui singur câmp electromagnetic. Cea mai importantă proprietate a acestui câmp este că se propagă sub formă de unde electromagnetice.
Viteza de propagare a undelor electromagnetice într-un mediu fără pierderi depinde de permeabilitatea relativ dielectrică și magnetică a mediului. Pentru aer, permeabilitatea magnetică a mediului este egală cu unu, prin urmare, viteza de propagare a undelor electromagnetice în acest caz este egală cu viteza luminii.
Antena poate fi un fir vertical alimentat de un generator de înaltă frecvență. Generatorul cheltuiește energie pentru a accelera mișcarea electronilor liberi în conductor, iar această energie este convertită într-un câmp electromagnetic alternant, adică unde electromagnetice. Cu cât frecvența curentului generatorului este mai mare, cu atât câmpul electromagnetic se schimbă mai rapid și vindecarea undelor este mai intensă.
La firul antenei sunt conectate atât un câmp electric, ale cărui linii de forță încep la sarcini pozitive și se termină la sarcini negative, cât și un câmp magnetic, ale cărui linii se închid în jurul curentului firului. Cu cât perioada de oscilație este mai scurtă, cu atât mai puțin timp rămâne pentru ca energia câmpurilor legate să revină la fir (adică la generator) și cu atât trece mai mult în câmpuri libere, care se propagă mai departe sub formă de unde electromagnetice. Radiația eficientă a undelor electromagnetice are loc în condiția comensurabilității lungimii de undă și a lungimii firului radiant.
Astfel, se poate stabili că unda radio- acesta este un câmp electromagnetic care nu este asociat cu emițătorul și dispozitivele de formare a canalelor, care se propagă liber în spațiu sub forma unei unde cu o frecvență de oscilație de 10 -3 până la 10 12 Hz.
Oscilațiile electronilor din antenă sunt create de o sursă de modificare periodică a EMF cu o perioadă T. Dacă la un moment dat câmpul de la antenă a avut o valoare maximă, atunci va avea aceeași valoare după un timp T. În acest timp, câmpul electromagnetic care exista la momentul inițial la antenă se va deplasa la o distanță
λ = υТ (1)
Se numește distanța minimă dintre două puncte din spațiu unde câmpul are aceeași valoare lungime de undă. După cum rezultă din (1), lungimea de undă λ depinde de viteza de propagare a acestuia și de perioada de oscilație a electronilor din antenă. La fel de frecvență actual f = 1 / T, apoi lungimea de undă λ = υ / f .
Legătura radio include următoarele părți principale:
Transmiţător
Receptor
Mediul în care se propagă undele radio.
Emițătorul și receptorul sunt elemente controlabile ale conexiunii radio, deoarece este posibil să creșteți puterea emițătorului, să conectați o antenă mai eficientă și să creșteți sensibilitatea receptorului. Mediul este un element necontrolat al legăturii radio.
Diferența dintre o linie de comunicație radio și liniile cu fir este că liniile cu fir folosesc fire sau cabluri ca legătură de legătură, care sunt elemente controlate (le puteți modifica parametrii electrici).
Multe modele de procese ondulatorii sunt de natură universală și sunt la fel de valabile pentru unde de natură variată: unde mecanice într-un mediu elastic, unde pe suprafața apei, într-o cordă întinsă etc. Undele electromagnetice, care sunt procesul de propagare a oscilațiile câmpului electromagnetic nu fac excepție. Dar, spre deosebire de alte tipuri de unde, care se propagă într-un mediu material, undele electromagnetice se pot propaga în vid: nu este necesar niciun mediu material pentru propagarea câmpurilor electrice și magnetice. Cu toate acestea, undele electromagnetice pot exista nu numai în vid, ci și în materie.
Predicția undelor electromagnetice. Existența undelor electromagnetice a fost prezisă teoretic de Maxwell ca rezultat al analizei sistemului său de ecuații propus care descrie câmpul electromagnetic. Maxwell a arătat că un câmp electromagnetic în vid poate exista chiar și în absența surselor - sarcini și curenți. Un câmp fără surse are forma unor unde care se propagă cu o viteză finită cm/s, în care vectorii câmpurilor electrice și magnetice în fiecare moment de timp în fiecare punct al spațiului sunt perpendiculari între ei și perpendiculari pe direcția undei. propagare.
Experimental, undele electromagnetice au fost descoperite și studiate de Hertz la numai 10 ani după moartea lui Maxwell.
vibrator deschis. Pentru a înțelege cum pot fi obținute undele electromagnetice experimental, să luăm în considerare un circuit oscilator „deschis”, în care plăcile condensatorului sunt depărtate (Fig. 176) și, prin urmare, câmpul electric ocupă o zonă mare a spațiului. Odată cu creșterea distanței dintre plăci, capacitatea C a condensatorului scade și, în conformitate cu formula Thomson, crește frecvența oscilațiilor naturale. Dacă înlocuim și inductorul cu o bucată de sârmă, atunci inductanța va scădea și frecvența naturală va crește și mai mult. În acest caz, nu numai câmpul electric, ci și câmpul magnetic, care anterior era închis în interiorul bobinei, va ocupa acum o regiune mare de spațiu care acoperă acest fir.
O creștere a frecvenței oscilațiilor în circuit, precum și o creștere a dimensiunilor sale liniare, duce la faptul că perioada naturală
oscilațiile devin comparabile cu timpul de propagare a câmpului electromagnetic de-a lungul întregului circuit. Aceasta înseamnă că procesele de oscilații electromagnetice naturale într-un astfel de circuit deschis nu mai pot fi considerate cvasi-staționare.
Orez. 176. Trecerea de la un circuit oscilator la un vibrator deschis
Puterea curentului în diferitele sale locuri în același timp este diferită: la capetele circuitului este întotdeauna zero, iar în mijloc (unde era bobina) oscilează cu amplitudine maximă.
În cazul limitativ, când circuitul oscilator s-a transformat pur și simplu într-un segment de sârmă drept, distribuția curentului de-a lungul circuitului la un moment dat în timp este prezentată în Fig. 177a. În momentul în care puterea curentului într-un astfel de vibrator este maximă, câmpul magnetic care îl acoperă atinge și el un maxim și nu există câmp electric în apropierea vibratorului. După un sfert din perioadă, puterea curentului dispare și, odată cu aceasta, câmpul magnetic din apropierea vibratorului; sarcinile electrice sunt concentrate în apropierea capetelor vibratorului, iar distribuția lor are forma prezentată în Fig. 1776. Câmpul electric în apropierea vibratorului în acest moment este maxim.
Orez. 177. Distribuția de-a lungul unui vibrator deschis a puterii curentului în momentul în care aceasta este maximă (a) și distribuția sarcinilor după un sfert din perioada (b)
Aceste oscilații de sarcină și curent, adică oscilațiile electromagnetice într-un vibrator deschis, sunt destul de analoge cu oscilațiile mecanice care pot apărea într-un arc oscilator dacă corpul masiv atașat de acesta este îndepărtat. În acest caz, este necesar să se țină seama de masa părților individuale ale arcului și să se considere un sistem distribuit, în care fiecare element are atât proprietăți elastice, cât și inerte. În cazul unui vibrator electromagnetic deschis, fiecare dintre elementele sale are, de asemenea, simultan atât inductanță, cât și capacitate.
Câmpurile electrice și magnetice ale vibratorului. Natura necvasi-staționară a oscilațiilor într-un vibrator deschis duce la faptul că câmpurile create de secțiunile sale individuale la o anumită distanță de vibrator nu se mai compensează reciproc, așa cum este cazul unui circuit oscilator „închis” cu parametrii concentrați, unde oscilațiile sunt cvasi-staționare, câmpul electric este concentrat în întregime în interiorul condensatorului, iar magnetic - în interiorul bobinei. Datorită unei astfel de separări spațiale a câmpurilor electrice și magnetice, acestea nu sunt direct legate între ele: transformarea lor reciprocă se datorează numai transferului curent - sarcină de-a lungul circuitului.
La un vibrator deschis, unde câmpurile electrice și magnetice se suprapun în spațiu, are loc influența lor reciprocă: un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric vortex, iar un câmp electric în schimbare generează un câmp magnetic. Ca urmare, este posibilă existența unor astfel de câmpuri „auto-susținute” care se propagă în spațiul liber la o distanță mare de vibrator. Acestea sunt undele electromagnetice emise de vibrator.
Experimentele lui Hertz. Vibratorul, cu ajutorul căruia G. Hertz în 1888 a fost primul care a obţinut experimental unde electromagnetice, era un conductor drept cu un mic întrefier la mijloc (Fig. 178a). Datorită acestui decalaj, cele două jumătăți ale vibratorului ar putea fi transmise sarcini semnificative. Când diferența de potențial a atins o anumită valoare limită, a avut loc o defecțiune a întrefierului (o scânteie a sărit) și sarcinile electrice puteau curge prin aerul ionizat de la o jumătate a vibratorului în cealaltă. Într-un circuit deschis, au apărut oscilații electromagnetice. Pentru ca curenții alternativi rapidi să existe doar în vibrator și să nu se închidă prin sursa de alimentare, între vibrator și sursă au fost conectate șocuri (vezi Fig. 178a).
Orez. 178. Vibrator Hertz
Vibrațiile de înaltă frecvență în vibrator există atâta timp cât scânteia închide spațiul dintre jumătățile sale. Amortizarea unor astfel de oscilații în vibrator are loc în principal nu datorită pierderilor Joule asupra rezistenței (ca într-un circuit oscilator închis), ci datorită radiației undelor electromagnetice.
Pentru a detecta undele electromagnetice, Hertz a folosit un al doilea vibrator (de primire) (Fig. 1786). Sub acțiunea unui câmp electric alternativ al unei unde care vine de la emițător, electronii din vibratorul receptor efectuează oscilații forțate, adică un curent alternativ rapid este excitat în vibrator. Dacă dimensiunile vibratorului receptor sunt aceleași cu cele ale celui radiant, atunci frecvențele oscilațiilor electromagnetice naturale din ele coincid și oscilațiile forțate din vibratorul receptor ating o valoare notabilă datorită rezonanței. Aceste oscilații au fost detectate de Hertz prin trecerea unei scântei într-un spațiu microscopic din mijlocul vibratorului receptor sau prin strălucirea unui tub miniatural cu descărcare în gaz G, conectat între jumătățile vibratorului.
Hertz nu numai că a dovedit experimental existența undelor electromagnetice, dar pentru prima dată a început să studieze proprietățile acestora - absorbția și refracția în diferite medii, reflexia de pe suprafețele metalice etc. Experimental, a fost, de asemenea, posibil să se măsoare viteza undelor electromagnetice, care s-a dovedit a fi egală cu viteza luminii.
Coincidența vitezei undelor electromagnetice cu viteza luminii măsurată cu mult înainte de descoperirea lor a servit drept punct de plecare pentru identificarea luminii cu undele electromagnetice și crearea unei teorii electromagnetice a luminii.
O undă electromagnetică există fără surse de câmpuri în sensul că după emiterea ei, câmpul electromagnetic al undei nu este asociat cu sursa. În acest fel, o undă electromagnetică diferă de câmpurile electrice și magnetice statice, care nu există izolat de sursă.
Mecanismul de radiație a undelor electromagnetice. Radiația undelor electromagnetice are loc odată cu mișcarea accelerată a sarcinilor electrice. Este posibil să înțelegem cum câmpul electric transversal al unei unde ia naștere din câmpul radial Coulomb al unei sarcini punctuale folosind următorul raționament simplu propus de J. Thomson.
Orez. 179. Câmpul unei sarcini punctiforme imobile
Luați în considerare câmpul electric creat de o sarcină punctiformă.Dacă sarcina este în repaus, atunci câmpul ei electrostatic este reprezentat de linii radiale de forță care ies din sarcină (Fig. 179). Fie ca în momentul de timp sarcina sub acțiunea unei forțe externe începe să se miște cu o accelerație a, iar după un timp acțiunea acestei forțe se oprește, astfel încât sarcina se mișcă mai departe uniform la o viteză.Graficul vitezei sarcinii este prezentat în Fig. 180.
Imaginează-ți o imagine a liniilor câmpului electric creat de această sarcină, după o perioadă lungă de timp.Deoarece câmpul electric se propagă cu viteza luminii c,
atunci modificarea câmpului electric cauzată de mișcarea sarcinii nu a putut ajunge în punctele aflate în afara sferei razei: în afara acestei sfere, câmpul este același ca și cu sarcina staționară (Fig. 181). Puterea acestui câmp (în sistemul gaussian de unități) este egală cu
Întreaga modificare a câmpului electric cauzată de mișcarea accelerată a sarcinii în timp în momentul de timp se află în interiorul unui strat sferic subțire de grosime, a cărui rază exterioară este egală cu și cea interioară - Acest lucru este prezentat în Fig. 181. În interiorul sferei de rază, câmpul electric este câmpul unei sarcini care se mișcă uniform.
Orez. 180. Graficul ratei de încărcare
Orez. 181. Liniile intensității câmpului electric al unei sarcini care se deplasează conform graficului din fig. 180
Orez. 182. La derivarea formulei pentru intensitatea câmpului de radiație al unei sarcini în mișcare accelerată
Dacă viteza de încărcare este mult mai mică decât viteza luminii c, atunci acest câmp coincide în momentul de timp cu câmpul unei sarcini punctiforme staționare situate la distanță de la început (Fig. 181): câmpul unei sarcini lent. deplasându-se cu o viteză constantă se mișcă odată cu ea, iar distanța parcursă de sarcină în timp, așa cum se poate observa din Fig. 180, poate fi considerat egal dacă r»t.
Imaginea câmpului electric din interiorul stratului sferic este ușor de găsit, având în vedere continuitatea liniilor de forță. Pentru a face acest lucru, trebuie să conectați liniile radiale de forță corespunzătoare (Fig. 181). Îndoirea liniilor de forță cauzată de mișcarea accelerată a sarcinii „fuge” de sarcină cu o viteză c. O îndoire în liniile de forță între
sfere, acesta este câmpul de radiație care ne interesează, propagăndu-se cu o viteză c.
Pentru a găsi câmpul de radiație, luați în considerare una dintre liniile de intensitate, care formează un anumit unghi cu direcția mișcării sarcinii (Fig. 182). Descompunem vectorul intensității câmpului electric în ruptura E în două componente: radială și transversală.Componenta radială este puterea câmpului electrostatic creat de sarcina aflată la distanță de aceasta:
Componenta transversală este puterea câmpului electric în unda emisă de sarcină în timpul mișcării accelerate. Deoarece această undă trece de-a lungul razei, vectorul este perpendicular pe direcția de propagare a undei. Din fig. 182 arată că
Înlocuind aici din (2), găsim
Considerând că un raport este accelerația a, cu care sarcina s-a deplasat în intervalul de timp de la 0 la, rescriem această expresie sub forma
În primul rând, acordăm atenție faptului că puterea câmpului electric al undei scade invers cu distanța de la centru, în contrast cu puterea câmpului electrostatic, care este proporțională cu o astfel de dependență de distanță și ar trebui să ne așteptăm dacă luăm în considerare legea conservării energiei. Deoarece nu există absorbție de energie atunci când o undă se propagă în vid, cantitatea de energie care a trecut printr-o sferă de orice rază este aceeași. Deoarece aria suprafeței unei sfere este proporțională cu pătratul razei sale, fluxul de energie printr-o unitate a suprafeței sale trebuie să fie invers proporțional cu pătratul razei. Având în vedere că densitatea de energie a câmpului electric al undei este egală, concluzionăm că
Mai mult, observăm că intensitatea câmpului undei din formula (4) în momentul de timp depinde de accelerația sarcinii și în momentul de timp unda radiată în acest moment atinge un punct situat la distanță după un timp. egal cu
Radiația unei sarcini oscilante. Să presupunem acum că sarcina se mișcă tot timpul de-a lungul unei linii drepte cu o accelerație variabilă în apropierea originii, de exemplu, efectuează oscilații armonice. Atâta timp cât este, va emite unde electromagnetice continuu. Intensitatea câmpului electric al undei într-un punct situat la o distanță de originea coordonatelor este încă determinată de formula (4), iar câmpul în momentul de timp depinde de accelerația sarcinii a într-un moment anterior.
Fie mișcarea sarcinii o oscilație armonică în apropierea originii cu o anumită amplitudine A și frecvență w:
Accelerația sarcinii în timpul unei astfel de mișcări este dată de expresia
Înlocuind accelerația de sarcină în formula (5), obținem
O modificare a câmpului electric în orice punct în timpul trecerii unei astfel de unde este o oscilație armonică cu o frecvență , adică o sarcină oscilantă radiază o undă monocromatică. Desigur, formula (8) este valabilă la distanțe mai mari decât amplitudinea oscilațiilor de sarcină A.
Energia unei unde electromagnetice. Densitatea de energie a câmpului electric al unei unde monocromatice emisă de o sarcină poate fi găsită folosind formula (8):
Densitatea energiei este proporțională cu pătratul amplitudinii oscilației sarcinii și cu puterea a patra a frecvenței.
Orice fluctuație este asociată cu tranziții periodice de energie de la o formă la alta și invers. De exemplu, vibrațiile unui oscilator mecanic sunt însoțite de transformări reciproce ale energiei cinetice și ale energiei potențiale de deformare elastică. Când am studiat oscilațiile electromagnetice dintr-un circuit, am văzut că analogul energiei potențiale a unui oscilator mecanic este energia câmpului electric din condensator, iar analogul energiei cinetice este energia câmpului magnetic al bobinei. Această analogie este valabilă nu numai pentru oscilațiile localizate, ci și pentru procesele ondulatorii.
Într-o undă monocromatică care se deplasează într-un mediu elastic, densitățile de energie cinetică și potențială în fiecare punct realizează oscilații armonice cu o frecvență dublată și în așa fel încât valorile lor să coincidă în orice moment. La fel este și într-o undă electromagnetică monocromatică care călătorește: densitățile de energie ale câmpurilor electrice și magnetice, care fac o oscilație armonică cu o frecvență, sunt egale între ele în orice punct în orice moment.
Densitatea energiei câmpului magnetic este exprimată în termeni de inducție B după cum urmează:
Echivalând densitățile de energie ale câmpurilor electrice și magnetice într-o undă electromagnetică care călătorește, suntem convinși că inducerea câmpului magnetic într-o astfel de undă depinde de coordonate și timp în același mod ca și intensitatea câmpului electric. Cu alte cuvinte, într-o undă care călătorește, inducția câmpului magnetic și puterea câmpului electric sunt egale între ele în orice punct și în orice moment (în sistemul gaussian de unități):
Fluxul de energie al unei unde electromagnetice. Densitatea totală de energie a câmpului electromagnetic în unda care călătorește este de două ori mai mare decât densitatea de energie a câmpului electric (9). Densitatea fluxului de energie y purtată de undă este egală cu produsul dintre densitatea energiei și viteza de propagare a undei. Folosind formula (9), se poate observa că fluxul de energie prin orice suprafață oscilează cu frecvența.Pentru a afla valoarea medie a densității fluxului de energie, este necesar să facem o medie a expresiei (9) în timp. Deoarece valoarea medie este 1/2, obținem
Orez. 183. Distribuția unghiulară a energiei” emisă de o sarcină oscilantă
Densitatea fluxului de energie într-o undă depinde de direcție: nu este emisă deloc energie în direcția în care au loc oscilațiile sarcinii.Cea mai mare cantitate de energie este emisă într-un plan perpendicular pe această direcție. 183. O sarcină oscilează de-a lungul unei axe
direcția energiei, adică diagrama arată o linie care leagă capetele acestor segmente.
Distribuția energiei în direcții în spațiu este caracterizată de o suprafață, care se obține prin rotirea diagramei în jurul axei
Polarizarea undelor electromagnetice. Unda generată de vibrator în timpul oscilațiilor armonice se numește monocromatic. O undă monocromatică este caracterizată de o anumită frecvență co și lungime de undă X. Lungimea de undă și frecvența sunt legate prin viteza de propagare a undei c:
O undă electromagnetică în vid este transversală: vectorul intensității câmpului electromagnetic al undei, după cum se poate observa din raționamentul de mai sus, este perpendicular pe direcția de propagare a undei. Să desenăm prin punctul de observație Р din fig. 184 sferă centrată la origine, în jurul căreia sarcina radiantă oscilează de-a lungul axei. Desenați paralele și meridiane pe el. Atunci vectorul E al câmpului de undă va fi direcționat tangențial la meridian, iar vectorul B este perpendicular pe vectorul E și îndreptat tangențial la paralelă.
Pentru a verifica acest lucru, să luăm în considerare mai detaliat relația dintre câmpurile electrice și magnetice dintr-o undă care călătorește. Aceste câmpuri după emisia undei nu mai sunt asociate cu sursa. Când câmpul electric al undei se modifică, apare un câmp magnetic, ale cărui linii de forță, așa cum am văzut în studiul curentului de deplasare, sunt perpendiculare pe liniile de forță ale câmpului electric. Acest câmp magnetic alternant, în schimbare, duce la rândul său la apariția unui câmp electric vortex, care este perpendicular pe câmpul magnetic care l-a generat. Astfel, în timpul propagării unei unde, câmpurile electrice și magnetice se susțin reciproc, rămânând reciproc perpendiculare tot timpul. Întrucât într-o undă care călătorește câmpurile electrice și magnetice se schimbă în fază unul cu celălalt, „portretul” instantaneu al undei (vectorii E și B în diferite puncte ale liniei de-a lungul direcției de propagare) are forma prezentată în Fig. 185. O astfel de undă se numește polarizat liniar. O sarcină oscilantă armonică radiază unde polarizate liniar în toate direcțiile. Într-o undă polarizată liniar care călătorește în orice direcție, vectorul E este întotdeauna în același plan.
Deoarece sarcinile dintr-un vibrator electromagnetic liniar efectuează exact o astfel de mișcare oscilantă, unda electromagnetică emisă de vibrator este polarizată liniar. Este ușor de verificat acest lucru experimental prin schimbarea orientării vibratorului receptor față de cel emitent.
Orez. 185. Câmpuri electrice și magnetice într-o undă polarizată liniar care se deplasează
Semnalul este mai mare atunci când vibratorul receptor este paralel cu cel care emite (vezi Fig. 178). Dacă vibratorul receptor este rotit perpendicular pe vibratorul care emite, atunci semnalul dispare. Oscilațiile electrice în vibratorul receptor pot apărea numai datorită componentei câmpului electric al undei direcționate de-a lungul vibratorului. Prin urmare, un astfel de experiment indică faptul că câmpul electric din undă este paralel cu vibratorul radiant.
Sunt posibile și alte tipuri de polarizare a undelor electromagnetice transversale. Dacă, de exemplu, vectorul E la un moment dat în timpul trecerii undei se rotește uniform în jurul direcției de propagare, rămânând neschimbat în valoare absolută, atunci unda se numește polarizat circular sau polarizat într-un cerc. Un „portret” instant al câmpului electric al unei astfel de unde electromagnetice este prezentat în Fig. 186.
Orez. 186. Câmp electric într-o undă polarizată circular
O undă polarizată circular poate fi obținută prin adăugarea a două unde polarizate liniar de aceeași frecvență și amplitudine care se propagă în aceeași direcție, vectorii câmpului electric în care sunt reciproc perpendiculari. În fiecare dintre unde, vectorul câmp electric în fiecare punct efectuează o oscilație armonică. Pentru ca suma unor astfel de oscilații reciproc perpendiculare să aibă ca rezultat o rotație a vectorului rezultat, este necesară o defazare.Cu alte cuvinte, undele polarizate liniar care sunt adăugate trebuie să fie deplasate cu un sfert din lungimea de undă una față de alta.
Momentul valurilor și presiunea ușoară. Alături de energie, unda electromagnetică are și impuls. Dacă o undă este absorbită, atunci impulsul ei este transferat obiectului care o absoarbe. De aici rezultă că în timpul absorbției, unda electromagnetică exercită presiune asupra barierei. Originea presiunii undei și valoarea acestei presiuni pot fi explicate după cum urmează.
Dirijată în linie dreaptă. Atunci puterea absorbită de sarcina P este egală cu
Presupunem că toată energia undei incidente este absorbită de barieră. Deoarece unda aduce energie pe unitatea de suprafață a barierei pe unitatea de timp, presiunea exercitată de undă la incidență normală este egală cu densitatea de energie a undei. Forța de presiune a undei electromagnetice absorbite o conferă barierei pe unitate. timp un impuls egal, conform formulei (15), cu energia absorbită împărțită la viteza luminii. Și asta înseamnă că unda electromagnetică absorbită a avut un impuls, care este egal cu energia împărțită la viteza luminii.
Pentru prima dată, presiunea undelor electromagnetice a fost descoperită experimental de P. N. Lebedev în 1900 în experimente extrem de subtile.
Cum diferă oscilațiile electromagnetice cvasi-staționare dintr-un circuit oscilator închis de oscilațiile de înaltă frecvență dintr-un vibrator deschis? Dă-mi o analogie mecanică.
Explicați de ce undele electromagnetice nu radiază într-un circuit închis în timpul oscilațiilor electromagnetice cvasi-staționare. De ce apare radiația în timpul oscilațiilor electromagnetice într-un vibrator deschis?
Descrieți și explicați experimentele lui Hertz privind excitația și detectarea undelor electromagnetice. Ce rol joacă eclatorul în vibratoarele de transmisie și recepție?
Explicați cum, odată cu mișcarea accelerată a unei sarcini electrice, un câmp electrostatic longitudinal se transformă într-un câmp electric transversal al unei unde electromagnetice emise de aceasta.
Pe baza considerațiilor energetice, arătați că intensitatea câmpului electric al undei sferice emise de vibrator scade cu 1 1r (spre deosebire de câmpul electrostatic).
Ce este o undă electromagnetică monocromatică? Ce este o lungime de undă? Cum este legat de frecvență? Care este proprietatea transversală a undelor electromagnetice?
Care este polarizarea unei unde electromagnetice? Ce tipuri de polarizare cunoașteți?
Ce argumente puteți oferi pentru a justifica faptul că o undă electromagnetică are impuls?
Explicați rolul forței Lorentz în apariția forței de presiune a undelor electromagnetice pe barieră.
În 1860-1865. unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului al XIX-lea James Clerk Maxwell a creat o teorie câmp electromagnetic. Potrivit lui Maxwell, fenomenul inducției electromagnetice este explicat după cum urmează. Dacă la un moment dat în spațiu câmpul magnetic se modifică în timp, atunci acolo se formează și un câmp electric. Dacă în câmp există un conductor închis, atunci câmpul electric provoacă un curent de inducție în el. Din teoria lui Maxwell rezultă că este posibil și procesul invers. Dacă într-o regiune a spațiului câmpul electric se modifică în timp, atunci se formează și un câmp magnetic aici.
Astfel, orice modificare a câmpului magnetic în timp are ca rezultat un câmp electric în schimbare, iar orice modificare în timp a câmpului electric dă naștere unui câmp magnetic în schimbare. Acestea generându-se reciproc câmpuri electrice și magnetice alternative formează un singur câmp electromagnetic.
Proprietățile undelor electromagnetice
Cel mai important rezultat care decurge din teoria câmpului electromagnetic formulată de Maxwell a fost predicția posibilității existenței undelor electromagnetice. unde electromagnetice- propagarea câmpurilor electromagnetice în spațiu și timp.
Undele electromagnetice, spre deosebire de undele elastice (sunete), se pot propaga în vid sau în orice altă substanță.
Undele electromagnetice în vid se propagă cu o viteză c=299 792 km/s, adică cu viteza luminii.
În materie, viteza unei unde electromagnetice este mai mică decât în vid. Relația dintre lungimea de undă, viteza acesteia, perioada și frecvența oscilațiilor obținute pentru undele mecanice este valabilă și pentru undele electromagnetice:
Fluctuațiile vectorului de tensiune Eși vector de inducție magnetică B apar în planuri reciproc perpendiculare și perpendiculare pe direcția de propagare a undei (vector viteză).
O undă electromagnetică transportă energie.
Gama undelor electromagnetice
În jurul nostru este o lume complexă de unde electromagnetice de diferite frecvențe: radiații de la monitoarele computerelor, telefoanele mobile, cuptoarele cu microunde, televizoarele etc. În prezent, toate undele electromagnetice sunt împărțite după lungimea de undă în șase game principale.
unde radio- sunt unde electromagnetice (cu lungimea de unda de la 10.000 m la 0,005 m), care servesc la transmiterea semnalelor (informatiei) pe o distanta fara fire. În comunicațiile radio, undele radio sunt create de curenții de înaltă frecvență care curg într-o antenă.
Radiația electromagnetică cu o lungime de undă de la 0,005 m până la 1 micron, adică dintre undele radio și lumina vizibilă se numesc Radiatii infrarosii. Radiația infraroșie este emisă de orice corp încălzit. Sursa de radiații infraroșii sunt cuptoarele, bateriile, lămpile electrice cu incandescență. Cu ajutorul unor dispozitive speciale, radiațiile infraroșii pot fi convertite în lumină vizibilă, iar imaginile obiectelor încălzite pot fi obținute în întuneric complet.
La lumina vizibila includ radiații cu o lungime de undă de aproximativ 770 nm până la 380 nm, de la roșu la violet. Semnificația acestei părți a spectrului radiațiilor electromagnetice în viața umană este extrem de mare, deoarece o persoană primește aproape toate informațiile despre lumea din jurul său cu ajutorul vederii.
Se numește radiația electromagnetică invizibilă pentru ochi cu o lungime de undă mai scurtă decât violetul radiații ultraviolete. Poate ucide bacteriile patogene.
radiații cu raze X invizibil pentru ochi. Trece fără absorbție semnificativă prin straturi semnificative ale unei substanțe opace la lumina vizibilă, care este utilizată pentru a diagnostica boli ale organelor interne.
Radiația gamma numită radiație electromagnetică emisă de nucleele excitate și care provine din interacțiunea particulelor elementare.
Principiul comunicației radio
Circuitul oscilator este folosit ca sursă de unde electromagnetice. Pentru o radiație eficientă, circuitul este „deschis”, adică. creați condiții pentru ca câmpul să „meargă” în spațiu. Acest dispozitiv se numește circuit oscilator deschis - antenă.
comunicare radio numită transmisie de informații folosind unde electromagnetice, ale căror frecvențe sunt în intervalul de la până la Hz.
Radar (radar)
Un dispozitiv care transmite unde ultrascurte și le primește imediat. Radiația este efectuată prin impulsuri scurte. Pulsurile sunt reflectate de obiecte, permițând, după recepționarea și procesarea semnalului, să se stabilească distanța până la obiect.
Radarul de viteză funcționează pe un principiu similar. Gândiți-vă la modul în care radarul determină viteza unei mașini în mișcare.
