Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі та швидкість їх поширення. Основні властивості електромагнітних хвиль

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ТА ШВИДКІСТЬ ЇХ ПОШИРЕННЯ. ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Численні явища в природі пов'язані з хвилями, які одержали назву електромагнітних. Поширюючись у просторі, вони взаємодіють з матеріальними об'єктами і спричиняють різноманітні зміни їх. Крім властивостей, притаманних будь-яким хвильовим процесам, електромагнітні хвилі мають і своєрідні властивості. Вивчення властивостивостей електромагнітних хвиль дало змогу пояснити багато природних явищ, розробити унікальні технологічні процеси, високоточні методи вимірювання, ефективні засоби зв'язку, складну медичну апаратуру тощо.

Електромагнітна хвиля — це протей поширення електромагнітного поля

У цьому розділі розглянемо природу і механізм утворення електромагнітних хвиль, особливості їх поширення і взаємодії з речовиною, зробимо ще один крок до пізнання особливостей електромагнітної взаємодії в природі.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

У вченні про електромагнітні хвилі чільне місце посідає теорія електромагнітного поля, до якої фізика йшла тривалий час тернистим і складним шляхом, оскільки електричні й магнітні явища довго розглядали як специфічні й незалежні. Лише експериментальними дослідженнями таких визначних учених, як Г. Ерстед і М. Фарадей, було доведено органічний зв'язок електричних і магнітних явищ, електричних і магнітних полів, взаємообумовлене і взаємопов'язане їх існування. У дослідах Г. Ерстеда магнітне поле електричного струму не знищує електричне поле, яке викликало цей струм, а існує одночасно з ним, проявляючись як обов'язковий супровід електричного струму. Електричне поле, яке виявляється в дослідах М. Фарадея з електромагнітної індукції, не знищує змінне магнітне поле, яке є обов'язковою умовою існування явища електромагнітної індукції, а обов'язково супроводжує змінне магнітне поле.

Накопичення знань про електричне і магнітне поля, виявлення явищ, які засвідчують зв'язок магнітних і електричних явищ, спонукало вчених до пошуку їх пояснення з єдиних теоретичних позицій.

Найпліднішою спробою пояснення властивостей і походження електричних і магнітних полів з єдиних позицій виявилися теоретичні дослідження англійського фізика-теоретика Джеймса Клерка Максвелла, який у 1864 р. опублікував працю «Динамічна теорія електромагнітного поля». У ній він описав теорію, що грунтувалася на уявленнях про існування єдиного електромагнітного поля, прояви якого різні в різних системах відліку. Цим Д. К. Максвелл довів, що електричне і магнітне поля є проявом єдиного електромагнітного поля в різних системах відліку.

Змінне електричне і змінне магнітне поля органічно пов'язані між собою

У працях Д. Максвелла доведено існування електромагнітного поля

Теорія Д. Максвелла є узагальненням експерименталних досліджень

Розробляючи теорію електромагнітного поля, Д. К. Максвелл не тільки узагальнив результати експериментальних досліджень властивостей електричних і магнітних полів, а й зробив принципово важливі відкриття. Так, він установив, що в разі зміни електричного   поля   обов'язково   спостерігатиметься магнітне поле. Магнітна індукція В цього  поля  залежить  від  швидкості  зміни електричного поля:

Це передбачення згодом було підтверджене експериментально і стало важливою ланкою теорії. Явище, за якого спостерігається магнітне поле в разі зміни електричного поля, дістало назву магнітоелектричної індукції.

Зв'язок магнітного поля зі змінним електричним полем можна спостерігати в дослідах за допомогою сучасних приладів.

Якщо в електричне поле між двома паралельними пластинками, приєднаними до генератора змінної напруги, внести тороїдальну котушку (мал. 4.1), то вимірювальний прилад, приєднаний до неї, виявить змінну ЕРС, частота якої відповідатиме частоті зміни електричного поля.

Якщо збільшити частоту зміни електричного поля, то й амплітуда ЕРС у котушці збільшиться. Це саме спостерігається і тоді, коли осердя котушки замінити на інше, з більшою магнітною проникністю. Лінії магнітної індукції поля за магнітоелектричної індукції охоплюватимуть лінії напруженості електричного поля. Це засвідчує положення тороїдальної котушки в електричному полі. Максимальне значення амплітуди ЕРС у котушці виявляється тоді, коли площина котушки перпендикулярна до ліній напруженості електричного поля. Напрямок ліній магнітної індукції у явищі магнітоелектричної індукції можна визначити за правилом правого гвинта: якщо поступальний рух правого гвинта збігається з напрямком вектора зміни напруженості електричного поля, то напрямок його обертання покаже напрямок лінії магнітної індукції (мал. 4.2).

Явище магнітоелектричної індукції — це поява магнітного поля при зміні електричного поля

Фундаментальним висновком з теорії Максвєлла є передбачення, що мають існувати електромагнітні хвилі, швидкість поширення яких дорівнює швидкості світла.

Основні положення теорії електромагнітного поля узагальнені у рівняннях Максвєлла. Однак, щоб їх прочитати і зрозуміти, потрібні знання з вищої математики.

Теорія Максвєлла дає змогу пояснити взаємозв'язок електричних і магнітних полів на основі теорії відносності.

1. Якщо в якійсь системі відліку знаходиться електрично заряджене тіло і його швидкість дорівнює нулю, то в цій системі можна виявити лише електричне поле. Властивості цього поля і явища, пов'язані з ним, ви вивчали у розділі «Електростатика» (мал. 4.3).

2. Якщо заряджене тіло в деякій системі рухається рівномірно, то в цій системі, крім електричного, спостерігається ще й магнітне поле (мал. 4.4).

При цьому напруженість електричного поля змінюватиметься лінійно, а індукція магнітного поля, буде сталою:

3. Якщо заряджене тіло рухається з прискоренням, то швидкість зміни напруженості електричного поля не буде сталою. Внаслідок цього магнітна індукція поля також змінюватиметься (мал. 4.5).

Теорія Максвєлла дає змогу пояснити взаємозв'язок електричних і магнітних полів на основі теорії відносності

Подальші дослідження властивостей електромагнітного поля показали, що воно має масу й енергію, а зміна його характеристик, яка сталася в довільній точці поля, поширюється до інших точок простору зі сталою швидкістю.

ДОСЛІДИ ГЕРЦА

Узагальнивши результати досліджень своїх попередників, які вивчали електричні й магнітні явища, Д. К. Максвелл передбачив існування електромагнітних хвиль. Після цього вчені спрямували свої зусилля на пошуки електромагнітних хвиль.

Найбільш успішними були експериментальні дослідження талановитого німецького вченого-фізика Г. Р. Герца. Після багаторічних пошуків і досліджень він у 1888 р. опублікував результати своєї праці, де повідомляв, що експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль. Він також дослідив основні властивості електромагнітних хвиль.

Розглянемо зміст дослідів Герца, оскільки вони дають змогу зрозуміти механізм утворення і поширення електромагнітних хвиль.

Основною частиною експериментальної установки Г. Р. Герца був випромінювач у вигляді двох металевих стрижнів 1, з'єднаних із джерелом високої напруги 2. (мал. 4.6).

Між стрижнями виникав іскровий розряд. Оскільки напруга на стрижні подавалася окремими імпульсами, то між кульками на кінцях стрижнів періодично відбувались іскрові розряди.

Якщо неподалік випромінювача знаходилася система з двох таких самих, як і у випромінювачі, стрижнів, то між їхніми суміжними кінцями пробігала іскра щоразу, коли відбувався розряд між стрижнями випромінювача.

Це явище засвідчує, що в просторі між двома системами відбувається процес, внаслідок якого передається енергія.

Дослідження цього процесу підтвердили, що він має всі ознаки хвилі. Для нього характерні явища інтерференції, дифракції, поляризації, які властиві лише хвильовим процесам. Г. Р. Герц навіть зміг виміряти довжину хвилі отриманого електромагнітного випромінювання, яка в дослідах приблизно дорівнювала 60 см.

Вібратор Герца випромінює електромагнітну хвилю

Коливання у вібраторі Герца породжується іскрою

Причиною виникнення електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої іншої природи, був коливальний процес, що відбувався у системі з двох стрижнів. Ця система дістала назву вібратора Герца. Коливання у вібраторі з'являлися щоразу, коли відбувався іскровий розряд. Г. Р. Герцу було відомо, що 1862 р. датський фізик В. Федерсон установив коливальний характер електричної іскри. Отже, використання її ученим у дослідах було цілком усвідомленим і не випадковим. Інших джерел електромагнітних коливань у той час учені не знали.

З розвитком електроніки з'явилася можливість одержувати незатухаючі електромагнітні коливання за допомогою електронних генераторів.

УТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Електромагнітні коливання поширюються у вигляді електромагнітних хвиль. У них відбуваються взаємні перетворення електричного і магнітного полів, які разом утворюють змінне електромагнітне поле.

Процес поширення змінного електромагнітного поля у просторі називають електромагнітною хвилею.

Для одержання електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої природи, потрібна система, в якій відбуваються коливання. Для електромагнітних коливань такою системою може бути коливальний контур (мал. 4.7).

Сучасні електронні системи дають змогу підтримувати в ньому незатухаючі коливання протягом тривалого часу, що, у свою чергу, створює умови для тривалого випромінювання електромагнітних хвиль.

Однак сам по собі закритий коливальний контур не може випромінювати електромагнітні хвилі. Електромагнітні коливання відбуваються в самому коливальному контурі і зовні це практично нічим не проявляється. Його електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора і поза його межами практично не виявляється. Змінні ж магнітні поля зосереджені в основному всередині котушки контура і не виходять за його межі. Коливання електромагнітного поля можуть поширюватися в просторі, якщо вони відбуваються в так званому відкритому контурі, який має два досить довгі провідники, з'єднані один з одним через котушку індуктивності (мал. 4.8).

Для збудження електромагнітних коливань у відкритому контурі є різні способи, але найпоширеніший з них, коли котушка індуктивності відкритого  коливального контура утворює індуктивний зв язок з контуром генератора незатухаючих коливань (мал. 4.9).

Закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль

Завдяки явищу електромагнітної індукції в котушці L_a з'являється змінна ЕРС, внаслідок чого в провідниках виникає змінний струм, а на провідниках — різнойменні заряди. Оскільки електрони, які утворють змінний електричний струм у провідниках, рухаються прискорено, то провідники відкритого коливального контура матимуть змінне електромагнітне поле.

Відкритий коливальний контур, у якому відбуваються електромагнітні коливання, має змінні магнітне й електричне поля.

Кожне з цих полів індукуватиме поле-«супутник». Так, змінне електричне поле відкритого коливального контура індукуватиме «власне» змінне магнітне поле, вже не пов'язане із струмом у провідниках. Відповідно до теорії Максвелла, вектор магнітної індукції цього поля буде перпендикулярним до вектора напруженості електричного поля, а його значення залежатиме від швидкості зміни вектора напруженості електричного поля:

Індуковане змінне магнітне поле, у свою чергу, спричинюватиме появу індукованого електричного поля, вектор напруженості якого буде перпендикулярним до вектора магнітної індукції, а його значення залежатиме від швидкості зміни магнітної індукції:

Індукційні процеси захоплюють все нові й нові точки простору, і, таким чином, змінне електромагнітне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла.

Відкритий коливальний контур може бути джерелом електромагнітної хвилі

Змінний струм у відкритому коливальному контурі породжує змінне електромагнітне поле

Зміни електромагнітного поля поширюються в просторі, як хвилі

На відстані декількох довжин хвилі від відкритого коливального контура в просторі вже поширюється єдина електромагнітна хвиля, в якій відбуваються взаємозумовлені одночасні зміни електричного і магнітного полів — складових електромагнітного поля. Цю частину хвилі називають хвильовою зоною.

У хвильовій зоні зміни вектора напруженості електричного поля і вектора магнітної індукції відбуваються одночасно

Графічно електромагнітну хвилю можна зобразити у вигляді двох синусоїд, розміщених у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 4.10).

Цей графік показує функціональну залежність значень векторів  від відстані у напрямку поширення електромагнітної хвилі. За напрямком вектори  однозначно пов'язані між собою і вектором швидкості поширення хвилі. їхні
коливання відбуваються у взаємно перпендикулярних площинах, причому вектор  завжди знаходиться в площині випромінюючого вібратора, а вектор швидкості завжди перпендикулярний до площини коливань
векторів . Зв'язок між ними ілюструє мал. 4.11.

Для запам'ятовування цього зв'язку користуються правилом правого гвинта: якщо правий гвинт обертати в напрямку від вектора  до вектора  найкоротшим шляхом, то напрямок його поступального
руху збіжиться з напрямком вектора швидкості .

Напрями векторів  і  пов'язані між собою за правилом правого гвинта

Аналітично коливальний процес, яким є електромагнітна хвиля, описується двома рівняннями:

де E_о і B_о — амплітуди хвилі; t — час спостереження; w — циклічна частота; r — відстань поширення хвилі; с — швидкість світла.

Для опису електромагнітної хвилі користуються гармонічними функціями

Важливою особливістю електромагнітної хвилі є те, що у хвильовій зоні відсутній зсув фаз між коливаннями векторів  і хвиля стає незалежною від випромінюючого диполя. Змінне електромагнітне поле є вільним, не пов'язаним із зарядженими тілами.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ 14
1. У скільки разів і як зміниться швидкість поширення електромагнітної хвилі у разі переходу з вакууму в деяке середовище, якщо довжина хвилі зменшиться у 9 разів?
2. Скільки коливань відбувається в електромагнітній хвилі, що має довжину 500 м, за час, який дорівнює періоду звукових коливань з частотою 3 000 Гц?
3. Електромагнітні хвилі поширюються в однорідному середовищі зі швидкістю 2 • 108 ^м_с. Яку довжину хвилі мають коливання у цьому середовищі, якщо їх частота у вакуумі 1 МГц?
4.  Електромагнітні хвилі поширюються в середовищі зі швидкістю  2 • 108 ^м_с. Знайдіть довжину хвилі, якщо у вакуумі вона дорівнює  6 м?
5. Телевежа розміщена на межі прямої видимості від приймальної антени телевізійного приймача. Знайдіть відстань між ними, якщо відомо, що висота телевежі 300 м, а висота приймальної антени — 10 м.
6. Електроємність конденсатора зміннбї ємності в контурі радіоприймача може змінюватися від 50 до 450 пФ. Індуктивність котушки при цьому не змінюється і дорівнює 0,6 мГн. Які довжини хвиль може приймати радіоприймач?
7. На яку довжину хвилі настроєний коливальний контур, що складається з котушки індуктивністю 1,6 мГн і конденсатора ємністю 400 пФ?
8. Яку індуктивність повинна мати котушка, щоб разом із конденсатором ємністю 0,005 мкФ скласти контур, що резонує на електромагнітну хвилю завдовжки 500 м?
9. Радіостанція працює на хвилі завдовжки 150 м. Яку ємність має конденсатор у коливальному контурі передавача, якщо індуктивність його котушки 0,2 мГн ?
10. Хвилю якої довжини прийматиме радіоприймач, коливальний контур якого має конденсатор ємністю 75 пФ і котушку індуктивністю 1,34 мГн? Знайдіть частоту власних коливань контура радіоприймача.
11. У разі зміни струму в котушці на 1 А за 0,6 с у ній індукується ЕРС 0,23 мВ. Яку довжину хвилі матиме випромінювання генератора, в коливальний контур якого входить ця котушка і конденсатор ємністю 14,1 пФ ?
12. Основна частота сигналів телебачення 50 МГц. Протягом 0,04 с передається 500 000 елементів зображення. Визначте кількість довжин хвиль, які припадають на один елемент зображення.
13. На яку довжину хвилі настроєний коливальний контур, що складається з котушки індуктивністю 2 мГн і плоского конденсатора? Простір між обкладками конденсатора заповнено речовиною з діелектричною проникністю 11. Площа обкладок конденсатора 800 см², а відстань між ними — 1 см.

ЗАПИТАННЯ
1. Які явища засвідчують зв'язок між електричними і магнітними полями?
2. У чому суть явища магнітоелектричної індукції?
3. Які основні властивості електромагнітного поля?
4. За яких умов електромагнітне поле виявляється лише як електричне поле зарядженого тіла?
5. Коли можна одночасно виявити електричне і магнітне поля зарядженого тіла?
6. Яка мета досліджень Г. Р. Герца?
7. З яких частин складалася експериментальна установка Г. Р. Герца?
8. Чому в дослідах Г. Р. Герца було використано електричну іскру?
9. Які факти підтверджують хвильову природу випромінювання, відкритого Г. Р. Герцом?
10.  Що називають електромагнітною хвилею?
11. Чому закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль?
12. З якою метою застосовують відкритий коливальний контур?
13. Як випромінюється електромагнітна хвиля?
14. Як взаємно розміщені основні вектори в електромагнітній хвилі у хвильовій зоні?  
15. Як розміщений вектор швидкості хвилі відносно векторів Е і В?
16. Яка  роль коливального контура в процесі утворення  електромагнітної хвилі?
17. Яку електромагнітну хвилю називають вільною?

Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Онлайн бібліотека з підручниками і книгами з фізики, плани-конспекти уроків по всім предметам, завдання з фізики для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.