Как найти скорость распространения электромагнитных волн

Эмпирический способ нахождения скорости электромагнитных волн

Скорость распространения электромагнитных волн эмпирически определяют, изучая стоячие волны, которые получают, например, в цепи, которая изображена на рис. 1, где выход генератора соединен с проводами линии через конденсаторы. Когда генератор работает, между проводами появляются колебания напряжения, а, значит, существуют колебания электрического поля, то есть возникает электромагнитная волна.

Для понимания об интенсивности колебаний в различных точках линии включают лампы накаливания. В таких опытах можно показать, что стоячие волны в линии появляются только при определенной частоте генератора, когда она совпадает с частотой собственных колебаний линии.

Измеряя расстояния ($triangle x$) между соседними узлами или пучностями в стоячей волне, определяется $frac{1}{2}$ длины волны ($lambda $). При этом, известно, что:

где $nu $ — частота генератора. Измерив $nu $, легко найти скорость распространения электромагнитной волны. Опыты показали, что скорость электромагнитной волны ($v$) совпадает со скоростью света. В воздухе она приблизительно равна $v=c=3cdot {10}^8frac{м}{с}.$

Вывод скорости распространения электромагнитных волн из теории Максвелла

Раньше, чем электромагнитные волны были получены в экспериментах, Максвелл вычислил скорость этих волн, используя свою теорию поля. Рассмотри плоскую электромагнитную волну (одномерная задача, означающая, что $overrightarrow{E }и overrightarrow{H }зависят только от одной координаты, допустим x$), которая распространяется в однородной среде ($j_x=j_y=j_z=0, при varepsilon =const, mu =const$). В таком случае система уравнений Максвелла в скалярном виде будет записана как:

Исключим из уравнений Максвелла электрическое поле. С этой целью используем формулу, связывающую индукцию магнитного поля и его напряженность:

«Скорость распространения электромагнитных волн» 👇

и продифференцируем второе уравнение системы (2) по времени, получим:

Первое уравнение системы (2) продифференцируем по $x$, и используем уравнение:

в результате имеем:

Сравним уравнения (4) и (6), запишем:

Уравнение (7) есть волновое уравнение, следовательно, коэффициент, который стоит при $frac{{partial }^2H}{partial x^2}$ – квадрат скорости распространения электромагнитной волны:

$c$- скорость света. В вакууме скорость электромагнитных волн будет выражена как:

В справедливости формулы (8) легко убедиться на опыте, если часть двухпроводной линии, которая первоначально была в воздухе погрузить в воду. Для воды $mu approx 1, varepsilon >1,$ следовательно, скорость электромагнитных волн в воде меньше, чем в воздухе, значит расстояние между соседними узлами (пучностями) станет меньше.

Следует учитывать, что $mu и varepsilon $ зависят от частоты. Поэтому при нахождении скорости применяя формулу (8) следует использовать их значения, соответствующие частоте колебаний в электромагнитной волне.

Содержание:

1. Распространение электромагнитных волн
2. Дисперсия и поглощение
3. Поведение электромагнитной волны на границе двух сред
4. Естественный и поляризованный свет
5. Поляризация при отражении
6. Распространение световых волн в среде с градиентом показателя преломления
7. Распространение радиоволн
8. Радиолокация

Электромагнитные волны — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Распространение электромагнитных волн

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Дисперсия и поглощение

В однородной среде электромагнитная волна распространяется с неизменной скоростью и в неизменном направлении. Скорость волны в пустоте максимальна. Скорость волны в среде равна

или, так как в большинстве интересных случаев

Отношение скорости распространения волн в пустоте к скорости распространения в среде носит название показателя преломления. Таким_образом, электромагнитная теория приводит к равенству которое неплохо выполняется для очень длинных волн. С изменением длины волны показатель преломления меняется. Это явление, называемое дисперсией, чуждо электромагнитной теории Максвелла, полагающей среду непрерывной и не учитывающей взаимодействия излучения с веществом. Как бы то ни было, равенство для быстрых электромагнитных колебаний не имеет места.

Распространяясь по веществу, электромагнитная волна приводит в колебательное состояние электрические заряды молекул. Так как электронное облако легко подвижно по сравнению с тяжелыми ядрами, то электрическое колебание состоит в смещении центра тяжести электронов по отношению к неподвижному центру тяжести положительных зарядов атомных ядер. Обозначая через заряд и массу колеблющихся электронов, можно записать уравнение колебания в форме

или, деля наш и пользуясь формулой собственной частоты колебания

Мы приравняли произведение массы на ускорение двум силам: возвращающей силе— и внешней периодически меняющейся силе Это — уравнение вынужденных гармонических колебаний. Оно удовлетворяется, если положить

После подстановки в уравнение найдем

Дипольный момент молекулы будет равен

Вектор поляризации — дипольный момент в единице объема — будет в N раз больше, если N — число молекул в единице объема:

Вспоминая формулу, связывающую поляризацию с напряженностью,

мы видим, что выразили диэлектрическую проницаемость среды через параметры молекулярного диполя

Показатель преломления среды должен быть равен корню квадратному из этого выражения.

Общий характер зависимости хорошо подтверждается опытом, как это показывает рис. 136, на котором сравниваются кривые показателя преломления в функции частоты, рассчитанные по приведенной формуле и измеренные для

конкретного вещества *). В чем же состоит основной результат опытов и расчета? Показатель преломления вообще растет с увеличением частоты во всем интервале частот, за исключением области, непосредственно примыкающей к частоте резонансного поглощения. Эта область носит название области аномальной дисперсии. У вещества может быть не одна, а несколько резонансных частот, соответствующих разностям его энергетических уровней. Тогда и областей аномальной дисперсии будет несколько.

Итак, скорость распространения волны, т. е. показатель преломления, существенным образом зависит от соотношения частоты волны и собственных частот молекулярных диполей.
Разумеется, от этих же причин зависит степень поглощения электромагнитной волны веществом. Повторяя рассуждения, приведенные на стр. 104 для упругих волн, мы придем к совершенно аналогичной формуле

позволяющей оценить отношение прошедшей интенсивности излучения к падающей если известны коэффициент поглощения и толщина слоя Напоминаем, что коэффициент поглощения равен величине, обратной толщине слоя, ослабляющего интенсивность излучения в раз. Благодаря сложной системе энергетических уровней, свойственной веществу, зависимость коэффициента поглощения от частоты падающей волны может быть причудливой и «скачущей».

До сих пор речь шла о диэлектрических средах, в состав которых входят лишь связанные электрические заряды. Иные закономерности имеют место при распространении электромагнитной волны в такой среде, где в заметном числе присутствуют свободные электроны. К таким средам относятся металлы, а также подобный газу коллектив свободных зарядов — ионосфера. Применяя изложенную теорию, мы должны положить собственную частоту свободного заряда в формуле для е равной нулю (частота пропорциональна жесткости связи). Тогда диэлектрический коэффициент представится формулой

При достаточно больших значениях показатель преломления стремится к единице. Наоборот, при показатель преломления становится мнимым. Последнее означает, что при указанных значениях частоты волны не могут проникать в металл или ионосферу. Напротив, при больших частотах волны «не замечают» среды, в которой имеются электроны. Эти предсказания хорошо оправдываются для радиоволн. Действительно, длинные и средние волны отражаются от ионосферы и не проникают в нее, короткие волны способны проникать в ионосферу, а УКВ проходят через нее беспрепятственно.

Приведенные соображения крайне упрощены, и не приходится удивляться, что они не оправдываются для оптического диапазона, где значения показателя преломления могут быть и близки к нулю и много больше единицы.

Поведение электромагнитной волны на границе двух сред

Так же как и упругая волна, электромагнитная волна отражается и преломляется, если ка ее пути встречается граница раздела двух сред. Основные закономерности этих явлений поддаются теоретическому анализу с помощью пограничных условий для векторов электромагнитного поля. Эти условия, рассмотренные на стр. 231 и 261, являются в свою очередь следствиями уравнений Максвелла.

Поскольку соотношения между полями с обеих сторон от границы не произвольны, расщепление волны на отраженную и проходящую становится тоже не произвольным.

Два соотношения являются решающими: тангенциальные составляющие электрического и магнитного векторов с обеих сторон границы раздела должны быть одинаковыми.

Посмотрим, какие ограничения будут наложены этими соотношениями для простейшего случая нормального падения. Этот случай

изображен на рис. 137. В плоскости чертежа пусть лежат электрические векторы, тогда магнитные будут расположены перпендикулярно к плоскости чертежа. Мы знаем, что с направлением распространения электрический и магнитный векторы должны образовывать правовинтовую систему: вектор Е поворачивается по кратчайшему пути к вектору Я против часовой стрелки, если смотреть против направления распространения. Мы видим, что удовлетворить этому непременному следствию из электромагнитной теории можно двумя способами: изменить на обратное направление вектора Н отраженной волны или сделать то же самое для вектора Е. Таким образом, либо электрический, либо магнитный векторы терпят скачок фазы на 180° при отражении.

Решение вопроса о том, какой из двух случаев имеет место, приходит при рассмотрении косого падения. Оказывается, что оба случая имеют место: один при переходе волны в среду с большим другой — в среду с меньшим

При нормальном падении дальнейший расчет не зависит от того, какую схему мы изберем. Пограничные условия запишем в виде

Но между числовыми значениями векторов имеется связь

Следовательно, мы получим два уравнения

из которых можно найти отношения Так как интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды и показателю преломления (ср. стр. 292), то для коэффициентов отражения и прохождения получим, вводя относительный показатель следующие простые формулы:

Аналогия с упругими волнами (ср. стр. 112) весьма велика.

Подобным вычислением, проделанным для случая произвольного наклона луча и любого поляризационного состояния волны, получены все общие результаты, к изложению которых мы и переходим. Все они весьма удовлетворительно совпадают с экспериментом.

Так как сумма коэффициентов отражения и прохождения равна единице, то результаты теории полностью описываются рисунком 138, на котором интенсивность отраженной волны представлена как функция угла падения.

Расчёт и опыт показывают, что характер отражения существенным образом зависит от поляризационного состояния падающей волны по отношению к плоскости падения. Вектор напряженности электрического поля «важнее» вектора Н хотя бы в том смысле, что фотохимическим действием обладает вектор Е. Поэтому принято, описывая поляризационное состояние волны, описывать его по

отношению к электрическому вектору. Положение вектора всегда легко найдется, если только известно направление распространения. Итак, оказывается, что коэффициент отражения различен для двух волн, падающих под одним и тем же углом на одну и ту же границу раздела, если в одном случае электрический вектор лежит в плоскости падения, а в другом случае перпендикулярен к ней. Кривая  на рисунке соответствует случаю, когда вектор Е перпендикулярен к плоскости падения; кривая III соответствует вектору Е, лежащему в плоскости падения; кривая II — случаю, когда падающая волна не поляризована.

В первом случае коэффициент отражения меняется монотонно; при нормальном падении отражение мало — коэффициент порядка 5%, при увеличении угла коэффициент отражения растет и при этом тем быстрее, чем ближе к положению скольжения. Совсем иначе ведет себя луч, электрический вектор которого лежит в плоскости падения. Его интенсивность отражения падает и доходит до нуля при угле удовлетворяющем следующему интересному равенству: Наш рисунок построен для значения (переход из воздуха в стекло), в соответствии с чем угол обращения коэффициента отражения в нуль равен 56° 40′. Далее коэффициент отражения возрастает к единице.

Чем же вызвано отсутствие отражения именно для этого случая, чем он специфичен? Очевидно, мы должны искать ответ в тех же пограничных условиях, из которых следует вся теория явления. Предоставляем читателю произвести построение векторов поля для этого угла и доказать требуемое.

У читателя может возникнуть вопрос. Если пограничные условия позволяют понять все явления на границе двух сред, то как быть с полным внутренним отражением, когда поле имеется в одной средев то время как в другой среде поля нет. Вопрос вполне законный, и теория дает на него ответ. Оказывается, что в условиях полного внутреннего отражения поле проникает во вторую среду, но не распространяется в глубь среды. Равенство не нарушается.

Существует ряд опытов, доказывающих проникновение во вторую среду световых волн в условиях полного внутреннего отражения. Упомянем лишь простой по идее опыт, описанный Мандельштамом. Стеклянная призма погружается в раствор флуоресцина — вещества, обладающего способностью давать характерное свечение под действием света. Луч света заставляют падать на призму так, чтобы происходило полное отражение с внутренней стороны грани призмы, опущенной в раствор. Флуоресцин в этом опыте интенсивно светится (в исключительно тонком слое, примыкающем к стеклу), доказывая этим проникновение электромагнитной волны в раствор.

Естественный и поляризованный свет

Естественный свет – совокупность электромагнитных волн со всевозможными равновероятными направлениями световых векторов (напряженности электрического поля 𝑬), перпендикулярных направлению распространения света. • Поляризованным светом называется свет, в котором направления колебания вектора напряженности электрического поля 𝑬 каким-либо образом упорядочены.

Поляризация при отражении

Установим стеклянную пластинку под углом к световому лучу. Луч отразится. Начнем поворачивать луч около его оси (фактически мы будем поворачивать источник света около оси, вдоль которой идет луч),, рассчитывая на то, что рано или поздно отраженный луч пропадет. Однако, если мы воспользуемся для опыта лучом естественного света, то наши ожидания не оправдываются: отраженный луч одинаковой интенсивности будет возникать при любом азимутальном положении падающего луча. Было бы ошибочным делать из этого вывод об опровержении только что изложенной теории. Этим опытом доказано лишь одно: поляризационное состояние естественного луча более сложно, чем это дается схемой двух векторов Е и Н, имеющих фиксированное направление колебания.

Продолжая этот же опыт, заставим падать уже отраженный под углом луч на вторую такую же пластинку, установленную под тем же углом к лучу, отраженному от первой пластинки. Начнем теперь вращать луч около самого себя. Так как, разумеется, важно лишь относительное положение луча и зеркала, то проще вращать вторую стеклянную пластинку. Следя за двукратно отраженным лучом, мы обнаружим, что отражаться он будет по-разному, и без труда найдем такое положение, при котором отражение отсутствует. Очевидно, это такое взаимное положение луча и зеркала, при котором электрический вектор луча лег в плоскость падения. Мы можем сделать отсюда вывод: отражение от первого зеркала привело естественный луч в поляризованное состояние, при котором электрический вектор имеет одно-единственное выделенное направление колебания.

В отличие от естественных лучей лучи с определенным направлением колебания векторов носят название поляризованных. Как же мы должны представить себе поляризационное состояние естественного луча? Приходится допустить, что в естественной электромагнитной волне равномерно представлены все возможные направления колебания электрического вектора. Мы подчеркиваем слово «возможные», так как электромагнитная теория говорит о поперечности электрического вектора. Следовательно, естественная неполяризованная волна является, по сути дела, наложением бесчисленного количества линейно поляризованных волн с равномерно представленными направлениями колебания векторов. Все поперечные направления являются направлениями колебания электрических векторов естественного луча света.

Отражение от двух последовательных зеркал, установленных под углами является одним из возможных способов поляризации световых лучей.

Электрические векторы естественного света можно всегда разложить по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Если исследуется отражение, то удобнее всего разложить векторы на составляющую, лежащую вдоль плоскости падения, и другую, к ней перпендикулярную. Поведение естественного луча эквивалентно поведению двух таких волн, если считать, что разность фаз между ними меняется по закону случая. Поэтому, когда говорят о поляризации света, употребляют выражения: одна из составляющих не прошла, или прошла в такой-то доле. Если при отражении света или при преломлении одна из составляющих проходит в большей степени, чем другая, а именно это и имеет место при отражении и преломлении, как показал рисунок кривых отражения, то происходит частичная поляризация света.

Этим явлением можно воспользоваться для того, чтобы поляризовать какой-либо луч полностью. Пользоваться двумя зеркалами, расположенными под углами к лучам, неудобно. Гораздо  удобнее пропустить луч света через стопу стеклянных пластинок. Каждое преломление будет на известный процент увеличивать долю одной из компонент в луче. Таким образом может быть осуществлена практически полная поляризация.

Естественное состояние светового луча — неполяризованное. Отсюда не надо делать вывод, что каждый луч, который не подвергался отражению или преломлению, является неполяризованным. Это прежде всего относится к радиоволнам. Короткие электромагнитные волны, на которых ведется телевизионная передача, сильно поляризованы. Именно это обстоятельство позволяет по расположению телевизионной антенны определить, в каком направлении находится передающий центр. Электромагнитная волна, несущая телевизионную передачу, сильно поляризована; антенну надо устанавливать так, чтобы направление колебания электрического вектора совпало с направлением антенны.

Распространение световых волн в среде с градиентом показателя преломления

Различие в плотности влечет за собой, как правило, различие в показателях преломления. Возникает естественный вопрос о характере распространения волны в такой среде, где значения коэффициента преломления меняются от точки к точке (т. е. градиент показателя преломления отличен от нуля).

Различие в показателях преломления означает разницу в скоростях продвижения фронта волны. Отсюда следует, что фронт волны по мере продвижения в такой среде будет непрерывно деформироваться. Если мы построим нормали к фронту волны, то получим кривую линию. Можно сказать, что свет распространяется в неоднородной среде не по прямым, а по кривым линиям.

Мы уже обсуждали в свое время аналогичную проблему для звуковых волн (стр. 129). Закономерности здесь те же самые и ход лучей управляется тем же принципом Ферма. При распространении в неограниченной среде с градиентом показателя преломления луч света будет распространяться так, чтобы пройти расстояние между двумя точками за минимальное время. Поэтому луч света будет загибаться так, чтобы сократить свой путь в участках пространства, где показатель преломления велик, и, наоборот, будет «стараться» проделать как можно большую часть пути в областях пространства с малым показателем преломления.

Наиболее известным примером распространения света в среде с градиентом является прохождение светового луча через земную атмосферу. Плотность и показатель преломления воздуха падают с высотой. Это приводит к явлению астрономической рефракции: луч, идущий от какой-либо звезды к Земле и входящий в атмосферу не по радиусу, а под углом, будет изгибаться и видимое положение звезды будет смещено по отношению к ее истинному положению.

Для звезд, расположенных у горизонта, угол смещения достигает огромной для астрономии величины в градуса.

Наличие градиента показателя преломления у атмосферы приводит к возникновению миражей. Миражи наблюдаются в африканских пустынях по той причине, что над раскаленным песком могут легко возникнуть тепловые потоки, приводящие к температурным перепадам, следовательно, к градиенту плотности, а значит, и показателя преломления. В результате луч света идет по кривой линии и возникает картина пейзажа в том же месте, куда его мысленно помещает зритель, привыкший к прямолинейному распространению света.

Разумеется, нельзя говорить о сферической или плоской волнах, когда речь идет о распространении света в неоднородной среде. Следует напомнить, что переменная скорость распространения означает, что длина волны также меняется от точки к точке. Какое же уравнение описывает движение волны в среде, где показатель преломления меняется от точки к точке? Имея в виду изменение параметров волны от точки к точке, мы должны поискать дифференциальное уравнение, описывающее это явление, поскольку лишь дифференциальное уравнение устанавливает закон, связывающий физические величины для данной точки пространства.

Это уравнение можно найти с помощью уравнений Максвелла. Вывод несколько сложен, и мы не сможем его провести. Результат вычислений таков: как для вектора Е (или его проекции), так и для вектора Н (или его проекции) справедлив следующий закон:

Функцию называют волновой функцией. Она представляет вектор Е или Н или их составляющие, поскольку для них всех уравнения одинаковы. — координата в направлении распространения волны, — время, — скорость распространения.

Написанное уравнение называется волновым, и справедливо для точек пространства, лежащих вне источников поля (т. е. вне заряженных областей и вне областей, по которым текут электрические токи).

Покажем, прежде всего, что написанному дифференциальному уравнению удовлетворяет простейший волновой процесс — плоская волна. Как нам известно (стр. 99), выражение плоской волны с частотой распространяющейся вдоль направления имеет вид

Вычислим вторые производные волновой функции по времени и по координате. Получим

Мы видим, что между вторыми производными имеется нужная связь:

значит предложенное дифференциальное уравнение содержит в себе уравнение плоской волны. Однако написанное дифференциальное уравнение много шире. Его решением является любая функция аргумента так какдля любой функции выражения производных через будут те же самые.

Зависимость функции от аргумента рассматривается как единственный признак волнового процесса. Смысл этого аргумента заключается в следующем: если состояние в точке характеризуется в момент времени некоторым значением волновой функции, то такое же состояние имеет место в точке через момент времени в точке — через момент времени и т. д.

При этом з есть координата, отсчитываемая вдоль любого прямого или криволинейного пути.

Дифференциальное уравнение

является общим уравнением волнового процесса, справедливым для любой среды, в том числе и неоднородной, в которой меняется от точки к точке.

Если волновая функция должна быть выражена через три координаты пространства то обобщением волнового уравнения является следующая формула:

Для суммы вторых частных производных какой-либо функции существует краткое обозначение: (читается: лапласиан Итак,

Дифференциальное уравнение волны справедливо для произвольного процесса, в котором значения длины волны и амплитуды волны меняются от точки к точке.

Обозначим через амплитуду волновой функции Именно представляет интерес для большинства задач. Если в пространстве существует колебательный процесс с частотой то

в самом произвольном случае. Следовательно, волновая функция будет всегда удовлетворять уравнению

Часть выражения для зависящая от времени, всегда сократится в подобном равенстве, поэтому последнее уравнение есть уравнение для амплитуды волны При помощи соотношенияего можно также записать в виде

Иногда и это уравнение называют волновым.

Распространение радиоволн

Законы отражения и преломления определяют закономерности распространения радиоволн. Чтобы обсуждать конкретные результаты, нужно лишь обобщить теорию на случай среды с непрерывно меняющимся коэффициентом преломления. Но эти рассуждения были проведены (стр. 128) для упругих волн. Они полностью сохраняют свой характер и для электромагнитной волны, как для света, так и для радио. Двигаясь в среде с переменным т. е. с переменной скоростью, волна распространяется таким образом, чтобы затратить кратчайшее время на прохождение расстояния между двумя точками. Путь волны будет криволинейным, причем, переходя из слоя с меньшим  в слой с большим волна будет отклоняться в сторону нормали, проведенной к границе раздела.

Чтобы судить о характере распространения радиоволн, следует знать электрические свойства земли и атмосферы. Значения электропроводности и диэлектрического коэффициента этих двух сред решительным образом сказываются на электромагнитном поле волны.

Чем объясняется различие в поведении электромагнитных волн разной длины? Разумеется, существенную роль играет дисперсия. Однако примерное суждение о поведении электромагнитной волны мы получим, если оценим соотношение между током смещения и током проводимости. Понятно, что среда обнаруживает диэлектрические свойства, если ток смещения много больше тока проводимости. Напротив, если током смещения можно пренебречь, то среду можно назвать проводящей.

С этой точки зрения нужно оценивать свойства земной поверхности и свойства атмосферы.

Приведем характерный пример. В радиотехнике известно, что равнинная местность, покрытая лесами, характеризуется диэлектрическим коэффициентом порядка 12 и удельной электропроводностью (в системе СГС) При распространении волн над морем важны значения для морской воды. Соответствующие цифры:Отношение плотности тока проводимости к плотности тока смещения (на стр. 285 мы приводили нужные формулы) выражается формулой

(в системе СГС). Для длинных волн (возьмем, например, 2000 м) это отношение равно для лесистой местности 77, а для поверхности моря 1600. Среду можно считать в обоих случаях хорошим проводником, в особенности это касается распространения над морем. Для коротких волн (скажем, для 20 м)- первая цифра падает до 0,77, а вторая — до 16. Это значит, что для коротких волн морская вода продолжает оставаться в основном проводящей средой, но лесистая местность ведет себя в значительной степени как диэлектрик.

При распространении волн над проводящей поверхностью последняя «не отпускает» волны от себя. Электрические силовые линии подходят к Земле под прямым углом и перемещаются вдоль земной поверхности. Именно поэтому электромагнитная волна легко обходит вокруг земного шара (на это требуется время 0,13 с; вполне возможно весьма точное определение этого времени и, таким образом, определение скорости распространения радиоволн). Это относится к длинным волнам. Короткие волны будут удерживаться у поверхности только морем. В других же местах они могут вести себя, как совершенно свободные волны. При движении вдоль земной поверхности волна проникает в глубь Земли и поглощается ею и притом тем сильнее, чем выше частота колебаний.

Целый ряд замечательных особенностей в поведении радиоволн объясняется наличием в верхних слоях атмосферы слоя, содержащего значительное число свободных ионов и электронов (ионосфера). Таким образом, грубо можно представить себе пространство, в котором движется электромагнитная волна, в виде диэлектрического слоя, зажатого между двумя проводящими слоями.

Ионизация атмосферы не однородна, т. е. число свободных зарядов в единице объема меняется от слоя к слою. Как мы видели в §125, с увеличением числа зарядов коэффициент преломления падает. Так как коэффициент преломления проводящей среды меньше единицы, то волна, поступившая из диэлектрической среды в ионосферу под некоторым углом, будет отклоняться в сторону от нормали. Ионизация растет, значит, отклонение будет возрастать от слоя к слою.

Далее, как показывает рис. 139, волна может либо быйти из ионосферы и уйти от Земли, либо, продолжая искривляться, вернуться на Землю. Грубо говоря (если не учитывать неоднородности ионосферы), волна вернется на Землю, если она попадет на ионосферу под углом, большим угла полного внутреннего отражения:

в противном случае волна уйдет в мировое пространство. Путем многократных отражений то от ионосферы, то от земной поверхности-короткая волна способна огибать земной шар со значительно меньшими энергетическими потерями, чем те, которые имеют место для длинных волн.

Так как УКВ пропускаются слоем свободных зарядов, то они не отражаются ионосферой. Это делает возможным радиоприем на УКВ лишь в пределах прямой видимости.

Мы сильно упростили картину атмосферы. Исследования показали, что распределение плотности свободных электрических зарядов в атмосфере характеризуется несколькими максимумами, так что ионосфера распадается на несколько слоев. Эти слои обладают разной устойчивостью в различные времена года. Интересно, что существование слоев связано с деятельностью Солнца, так как наблюдаются изменения состояния ионосферы в соответствии с 11-летним циклом солнечных пятен. Ионизация верхних слоев атмосферы несомненно связана с приходом к Земле космической радиации.

Из рассмотрения электрических свойств ионосферы и земной поверхности радиотехника делает ряд выводов о наиболее благоприятных условиях радиопередачи и приема на волнах различной длины. На этом мы останавливаться не будем.

Радиолокация

радиоволнами, имеется предмет, способный отражать волну, то она отразится и вернется обратно к радиолокационной установке, которая примет отраженный сигнал через время после отправления в пространство очередного импульса.

Это время измеряется при помощи электронного осциллографа. Развертка луча синхронизируется с отправлением в пространство импульсов передатчика. На вторую пару пластин осциллографа подается напряжение, возникающее в приемнике в результате демодуляции сигнала. Тогда на экране осциллографа возникнет «зубец», сдвинутый по отношению к точке начала развертки на расстояние, пропорциональное времени Если в поле зрения локатора попал неподвижный предмет, то и «зубец» на экране осциллографа двигаться не будет; действительно, синхронизация заключается в том, что время развертки делается равным одной десятитысячной доле секунды, т. е. интервалу времени, через который следуют один за другим импульсы передатчика. Если предмет, «увиденный» локатором, перемещается, то движется и зубец, видимый на экране осциллографа.

От этой схемы техника современной локации ушла уже далеко вперед. Электронному лучу осциллографа дают возможность совершать более сложное движение от центра экрана вдоль радиуса к краю экрана. Одновременно линия, описываемая электронным лучом, медленно вращается вокруг центра экрана наподобие стрелки часов.

Это вращение синхронизировано с вращением антенны локатора, так что светящаяся линия направлена в ту же сторону, что и радиолуч передатчика. Далее вносится следующее важное изменение в работу осциллографа: если радиолуч не встречал препятствия и, следовательно, приемник не поймал отраженного луча, то экран осциллографа остается темным. Напротив, если импульс принят, то на экране вспыхивает точка.

Таким образом, тело, встретившееся лучу при ощупывании им горизонта, даст о себе знать светящейся точкой на экране осциллографа. При этом расстояние этой точки до центра экрана будет пропорционально расстоянию от локатора до предмета, а ее азимутальный угол укажет направление, в котором расположен предмет.

Экраны осциллографа обладают послесвечением. Поэтому светящаяся точка, возникшая один раз, не исчезнет и после того, как локатор, проделав обзор местности, вернется опять в то же положение.

Если светящаяся точка возникла благодаря отражению луча неподвижным предметом, то она даст неподвижное изображение на экране осциллографа. Если предмет движется, то на экране будет видно его движущееся изображение.

Благодаря разным коэффициентам отражения различных предметов на экране локатора с круговым обзором видна своеобразная картина местности. Реки и озера представятся темными полосами (малое отражение), земля — более светлая, лес — еще светлее. Разумеется, весьма отчетливо «видны» металлические предметы.

Работая на различных длинах волн, можно изменять характер видимости. Так, на радиоволнах сантиметрового диапазона можно хорошо наблюдать за облаками. Более длинные волны не чувствуют облаков и дождя, и локаторы на таких волнах пригодны в любую погоду, если, наоборот, не ставится специальная задача наблюдения за облаками.

Применение принципов радиолокации в науке и технике многообразно. Локаторы позволяют самолетам легко совершать ночные

полеты и производить посадку на неосвещенные аэродромы. Существенное значение имеет радиолокация для метеорологии; кроме обнаружения на далеких расстояниях или в ночное время облаков и туч, что существенно при составлении прогнозов, радиолокаторы могут следить за шарами-зондами. Радиолокаторы, установленные на морских судах, значительно повышают безопасность движения, сводят на нет возможность случайных столкновений судна с препятствиями или другими судами. При помощи радиолокационных методов в астрономии находят расстояние до метеоров и определяют направление и скорость их полета. Волны отражаются в основном от «хвостов» метеоров, которые представляют собой ионизированные газы. Возможна радиолокация Луны, Солнца и планет. Радиолокационная астрономия имеет большое практическое значение, так как позволяет создать навигационные приборы, при помощи которых в любую погоду и любое время суток будет возможно определить положение корабля по наблюдениям за небесными телами.

Проблемам радиолокации посвящена значительная литература. Поскольку вопросы радиолокации принадлежат радиотехнике, а не физике, то нам кажется достаточным освещение принципа этого замечательного метода.

На рис. 141 изображена блок-схема радиолокатора.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно – кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Интерференционные явления
58. Рассеяние
59. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
60. Двойное лучепреломление
61. Магнитное поле и электромагнитная индукция
62. Электромагнитные колебания и волны
63. Природа света
64. Распространение света
65. Отражение и преломление света
66. Оптические приборы и зрение
67. Волновые свойства света
68. Действия света
69. Линзы и получение изображений с помощью линз
70. Оптические приборы и глаз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

Конкурс “Я иду на урок”

Энергия и скорость электромагнитной волны

Урок 4-й из серии уроков на тему «Электромагнитные волны». См. № 24/08; 2, 4/09

Цели обучения: ввести понятие плотности энергии электромагнитной волны; вычислить скорость электромагнитной волны; измерить скорость распространения электромагнитной волны в воздухе и воде.

Цели развития: совершенствовать физическое мышление учащихся; развивать память путём вывода известных учащимся формул; углублять способности анализировать результаты эксперимента; развивать умения перехода от теории к эксперименту, делать количественные оценки, в опытах определять значения физических величин.

Цели воспитания: воспитывать восторг перед дерзостью и силой человеческого ума, обеспечившего измерение гигантского значения скорости света; восхищение физической наукой, простейшими средствами раскрывающей жгучие тайны природы.

Дидактические средства:

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
3. Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
4. Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»), кювета с водой.

4.1. Введение

Учитель. Основная задача сегодняшнего урока заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании того факта, что электромагнитная волна распространяется с определённой скоростью и при распространении переносит энергию. Скорость электромагнитной волны громадна, но мы научимся измерять её в разных средах. Начать урок лучше всего с повторения пройденного.

4.2. Энергия электромагнитной волны

Учитель. Вспомните вывод формулы для плотности энергии электрического поля.

Учащиеся. Если напряжение на плоском конденсаторе равно u, то напряжённость электрического поля в нём E = u/l. Так как ёмкость конденсатора С = ε₀εS/l. (1.2) и объём, занятый полем между пластинами конденсатора V = Sl, то из формулы (W_E = Cu²/2) (1.5) плотность энергии электрического поля

Учитель. Теперь получите выражение для плотности энергии магнитного поля. Напомню, что проще всего это сделать, рассмотрев магнитное поле соленоида.

Учащиеся. Индуктивность соленоида длиной l и площадью S, обмотка которого содержит N витков, равна Если по соленоиду идёт ток силой i, то индукция магнитного поля в нём

Выражая отсюда i и вместе с L подставляя в формулу (1.6) для энергии магнитного поля W_B = Li²/2, получаем

где V = Sl – объём соленоида, в котором в основном сосредоточено магнитное поле. Отсюда плотность энергии магнитного поля

Учитель. Тогда плотность энергии в электромагнитной волне

Так как в электромагнитной волне электрическое и магнитное поля совершенно равноправны, причём одно поле порождает другое и наоборот, то плотности энергии этих полей должны быть равны. Приравнивая два слагаемых последней формулы, получаем

Несмотря на равноправие электрического и магнитного полей, одно из них обнаружить в электромагнитной волне проще, чем другое. Какое именно и почему?

Учащиеся. Проще обнаружить электрическое поле, т.к. оно непосредственно вызывает в проводнике электрический ток. Магнитное поле обнаруживают по создаваемому им вихревому электрическому полю, которое вызывает ток в замкнутом проводнике.

Учитель. Замеченная вами особенность носит общий характер, так как именно электрическое поле волны в основном взаимодействует с веществом. Поэтому полную плотность энергии электромагнитной волны (4.3) удобнее выражать через напряженность ее электрического поля:

ω = ε₀εE².       (4.5)

4.3. Скорость перемещения электрического и магнитного полей

Учитель. Представим, что в площади круга радиусом r создано однородное магнитное поле индукцией B (рис. 4.1). Пусть площадь, занятая этим полем, равномерно растёт так, что радиус круга увеличивается со скоростью υ = dr/dt. Что отсюда следует?

Учащиеся. Вокруг магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, радиус которого также растёт со скоростью υ. Согласно закону Фарадея (1.1), поскольку магнитный поток Φ = BS, ЭДС индукции в контуре радиусом r по модулю равна

Тогда напряжённость вихревого электрического поля, равная отношению ЭДС индукции к длине контура 2πr выражается формулой:

Учитель. При выводе этого соотношения мы не пользовались ничем, кроме закона Фарадея, следовательно, можно предположить, что оно справедливо для любых переменных электрического и магнитного полей. Это позволяет найти скорость электромагнитной волны. Попробуйте!

4.4. Скорость электромагнитной волны в вакууме

Учащиеся. Из последней формулы видно, что E/B = υ. тогда формула (4.4) даёт, что скорость электромагнитной волны

Учитель. В эту формулу входят фундаментальные константы ε₀ и μ₀, поэтому разумно вычислить величину

Учащиеся. Так как ε₀ = 8,85 · 10¹² Кл²/(м² · Н)
и μ₀ = 2,56 · 10^-7 Н/А², то, подставив эти значения в формулу (4.8), получаем с = 3 · 10⁸ м/с.

Учитель. Таким образом, с в формуле (4.8) есть не что иное, как скорость света в вакууме, и формулу (4.7) можно переписать в виде

где величина

называется абсолютным показателем преломления, или просто показателем преломления вещества. Осталось найти способ, позволяющий измерить скорость электромагнитной волны в разных средах.

Учащиеся. Для этого можно измерить длину волны λ и, зная частоту генератора ν, вычислить скорость электромагнитной волны

υ = λ/T = λν      (4.11)

Учитель. Для измерения длины волны используем интерференцию волн. Подобный опыт мы уже делали на прошлом уроке, когда параллельно приёмному диполю располагали проводящий стержень. Вместо стержня возьмём металлический лист и расположим его параллельно излучающему диполю. Тогда на приёмном диполе будут интерферировать две электромагнитные волны: идущая непосредственно от излучающего диполя и отражённая от листа (рис. 4.2). Перемещая отражатель поступательно в направлении распространения электромагнитной волны, отметим два таких его положения, при которых яркость лампы приёмного диполя минимальна. Вспомните опыты по интерференции звука и в проделанном сейчас эксперименте найдите длину электромагнитной волны.

Учащиеся. Расстояние между двумя положениями отражателя, при которых лампа приёмного диполя гаснет, равно половине длины электромагнитной волны. Измерения показывают, что эта величина составляет
35 см, значит, длина волны излучения генератора λ = 0,7 м. Так как частота генератора ν = 430 МГц = 4,3 · 10⁸ Гц, то скорость элетромагнитной волны в воздухе υ = λν = 3 · 10⁸ м/с, такая же, как в вакууме! Поэтому показатель преломления воздуха n практически равен 1.

4.5. Скорость электромагнитной волны в веществе

Учитель. Обратите внимание, что длины излучающего и приёмного диполей равны половине длины электромагнитного излучения. Случайно ли это?

Учащиеся. Чтобы получить ответ, нужно попробовать изменить длины диполей и посмотреть, что из этого получится.

Учитель. Диполем с лампой, длина которого может регулироваться, я замыкаю клеммы генератора, при этом его лампа ярко светится, а лампа приёмного диполя не горит (рис. 4.3, а). Постепенно увеличиваю длину диполя, соединённого с генератором. Что вы наблюдаете?

Учащиеся. При определённой длине диполя, подключённого к генератору, яркость его лампы становится минимальной, а яркость лампы приёмного диполя – максимальной (рис. 4.3, б). Опыт очень убедительно свидетельствует, что соединённый с генератором диполь излучает электромагнитную волну, и это приводит к уменьшению энергии электрического тока в нём. Измерения показывают, что длина диполя, при которой его излучение максимально, равна 35 см, т.е. половине длины электромагнитной волны.

Учитель. Снабдим генератор полуволновым излучающим диполем и будем изменять длину приёмного диполя. Сделайте вывод из этого опыта.

Учащиеся. При изменении длины приёмного диполя свечение его лампы максимально, когда она также равна половине длины электромагнитной волны. Значит, наиболее эффективны полуволновые излучающий и приёмный диполи. Наверное, в этих опытах наблюдается резонанс… В самом деле – резонанс, ведь всякий диполь – это открытый колебательный контур!

Учитель. Подумайте, как убедиться, что скорость электромагнитной волны в веществе отличается от скорости света в вакууме? Подскажу, что в качестве исследуемого вещества удобнее всего взять воду, поскольку её диэлектрическая проницаемость велика.

Учащиеся. Так как магнитная проницаемость воды практически равна 1, то, согласно формуле (4.9), скорость электромагнитной волны в воде Тогда, по формуле (4.11), длина волны λ = υ/ν = 7,7 см. Выходит, что в воде нужно использовать полуволновые диполи длиной примерно 3,8 см.

Учитель. Пусть излучающий диполь находится в воздухе. Вблизи него я помещаю пластиковый сосуд с водой и ввожу в воду короткий диполь с лампой, длина которого 4 см. Вы видите, что лампа загорается (рис. 4.4, а). Перемещаю за приёмным диполем металлическую полоску, и вы наблюдаете, что лампа приёмного диполя периодически гаснет и загорается (рис. 4.4, б, в). Что отсюда следует?

Учащиеся. Опыт подтверждает наше предположение: действительно длина и скорость распространения электромагнитной волны в воде в раз меньше, чем в воздухе. Но ведь известно, что показатель преломления воды равен не 9, а 1,33!

Учитель. Дело в том, что существует явление дисперсии: скорость электромагнитной волны в веществе зависит от её частоты. Частота видимого света порядка 10¹⁴ Гц, на такой частоте диэлектрическая проницаемость воды равна не 81, а 1,77.

4.6. Заключение

Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?

Учащиеся. Мы узнали, чему равны плотность энергии электромагнитной волны и скорость её распространения в вакууме и в веществе. Научились вычислять отношение напряжённости электрического поля к индукции магнитного поля, на опыте определять длину электромагнитной волны и её скорость в разных средах. Наибольшее впечатление произвели опыты с изменением длины излучающего диполя и с коротким приёмным диполем в воде.

Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.

1. Дайте определение и напишите формулу для плотности энергии электромагнитной волны. [В.А.Касьянов, § 47.]
2. Как выражается скорость света в вакууме через электрическую и магнитную постоянные? [Опорный конспект.]
3. Как связаны векторы напряжённости электрического поля, индукции магнитного поля и скорости распространения электромагнитной волны? [Опорный конспект.]
4. Опишите опыты по измерению скорости электромагнитной волны в различных средах. [Опорный конспект.]
5. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления вещества? [Опорный конспект.]
6. Напряжённость электрического поля в области приёмного диполя равна 10 В/м. Найдите плотность энергии электромагнитной волны, а также плотности энергий электрического и магнитного полей в этой области. [Опорный конспект.]
7. Гармоническая электромагнитная волна распространяется в воздухе и на некотором расстоянии от генератора создаёт электрическое поле, амплитуда напряжённости которого 10 В/м. Найдите амплитуду индукции магнитного поля в этой области. Какое поле проще экспериментально обнаружить в электромагнитной волне: электрическое или магнитное? [Опорный конспект.]

Продолжение

следует

Содержание:

Электромагнитные волны и их свойства:

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. английский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся во времени.

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

Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Силовые линии этого поля замкнуты и охватывают линии индукции магнитного поля, и

напряженность электрического поля 

Таким образом, в вакууме возникает система изменяющихся и взаимно порождающих друг друга электрических и магнитных полей, охватывающих все большие и большие области пространства (рис. 44).

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют переменным электромагнитным полем. Согласно теории Максвелла электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Рассмотрим подробнее процесс образования электромагнитного поля в пространстве, окружающем проводник.

Пусть в проводнике возбуждены электромагнитные колебания, в результате чего сила электрического тока в нем непрерывно меняется. Поскольку сила тока связана со скоростью движения свободных зарядов в проводнике, то скорость движения последних также будет непрерывно изменяться с течением времени. Это говорит о том, что свободные заряды внутри проводника будут двигаться с ускорением.

Согласно теории Максвелла при ускоренном движении свободных зарядов в проводнике в пространстве вокруг него создается переменное магнитное поле, которое порождает переменное вихревое электрическое поле. Последнее, в свою очередь, вновь вызывает появление переменного магнитного поля уже на 

большем расстоянии от заряда и т. д. Таким образом, в пространстве вокруг проводника образуются взаимосвязанные электрические и магнитные поля, которые распространяются с течением времени в виде волны.

Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с конечной скоростью, называется электромагнитной волной (рис. 45).

Электромагнитные волны являются поперечными. В них направления колебаний векторов напряженности  электрического поля и индукции  магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (см. рис. 45).

Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

# Частота электромагнитных волн совпадает с частотой колебаний излучающих частиц. Максимальное значение ускорения при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты колебаний: Так как излучают только ускоренно движущиеся заряды, то модуль напряженности электрического поля так же, как и модуль индукции магнитного поля, пропорционален модулю ускорения:  значит,  Тогда интенсивность излучения электромагнитной волны пропорциональна четвертой степени частоты  Следовательно, для получения интенсивных электромагнитных волн в их источнике необходимо создать колебания достаточно высокой частоты.

Одним из важнейших результатов теории Максвелла было теоретическое определение модуля скорости распространения электромагнитных волн (света). Согласно этой теории модуль скорости распространения  электромагнитной волны в вакууме связан с электрической постоянной  и магнитной постоянной  следующим соотношением:

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе скорость их распространения меньше с и зависит от его электрических и магнитных свойств.

Совпадение скорости электромагнитных волн со скоростью света дало возможность Джеймсу Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Благодаря этому произошло объединение в одно учение оптики и электромагнетизма.

Электромагнитные волны были экспериментально открыты немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. Для их генерации он использовал специальное устройство (рис. 46, а), впоследствии названное вибратором Герца.

Герц исследовал излучаемое вибратором электромагнитное поле. В воздушном зазоре между шарами при переменном напряжении, достигающем значения пробоя воздуха, происходил искровой разряд. При этом в вибраторе возникали электромагнитные колебания высокой частоты. Индикатором электромагнитных волн, возникающих в опытах Герца, служила искра, образующаяся в приемном контуре (рис. 46, б). Размеры приемного контура выбирались таким образом, чтобы собственная частота возникающих в нем колебаний была равна частоте излучаемых волн.

Изменяя положение приемного контура по отношению к вибратору и наблюдая появление в нем искры, Герц определял наличие поля в различных точках пространства. Таким образом, Герц экспериментально доказал существование, электромагнитных волн.

Длина волны, возникшей в вибраторе Герца, была  К 1889 г. Герц сумел не только убедительно доказать существование электромагнитных волн, но и установить их основные свойства: распространяются не только в различных средах, но и вакууме;

в вакууме распространяются со скоростью, модуль которой отражаются и преломляются на границах раздела сред; являются поперечными.

Герц считал, что электромагнитные волны невозможно использовать для осуществления связи без проводов. Однако русский ученый Александр Степанович Попов 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге сообщил о возможности приема электромагнитных сигналов. 18 декабря 1897 г. он передал на расстояние 250 м первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц».

В 1901 г. итальянский инженер Г. Маркони впервые осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Исследования по передаче информации электромагнитными волнами, проведенные 11оповым, показали, что для радиосвязи можно использовать колебательный контур.

Закрытый контур излучает слабо, так как электрическое поле сосредоточено в основном между обкладками конденсатора, а магнитное — в катушке, т. е. поля пространственно разделены. Такая система с сосредоточенными параметрами практически не излучает электромагнитные волны.

Проследим за изменениями в системе при увеличении расстояния  между обкладками конденсатора, при уменьшении площади  обкладок конденсатора и при уменьшении числа  витков катушки. Так как при этом электроемкость конденсатора и индуктивность катушки уменьшаются, то собственная частота колебаний контура  увеличивается. Соответственно, увеличится и интенсивность излучения, которая при прочих равных условиях 

Таким образом, для эффективного излучения контур необходимо «открыть», раздвинув обкладки конденсатора, т. е. создать условия «ухода» поля в пространство (рис. 47, а). Если заменить катушку прямым проводом, то частота  увеличится еще больше. В результате приходим к открытому колебательному контуру — это прямой провод (рис. 47, б). Однако в таком виде его невозможно использовать на практике, так как мощность излучения и в этом случае невелика. Интенсивное излучение начинается при достижении частот порядка сотен тысяч герц. Поэтому в действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны (рис. 47, в). Один конец провода соединен с землей (заземлен), второй — поднят над поверхностью Земли. Длина антенны изготовляется кратной половине длины волны, так как в этом случае она настроена в резонанс с генератором колебаний, что обеспечивает оптимальные условия для излучения и приема электромагнитных волн. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве электромагнитное поле, и электромагнитные волны распространяются от антенны (рис. 48).

Спектр электромагнитного излучения удобно изображать в виде шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 49.

Свойства электромагнитных волн сильно зависят от их частоты. Излучение электронов, обусловленное их движением в проводниках, позволяет генерировать электромагнитные волны с частотой до  Для генерации излучений с частотой выше  используют излучение атомов. Верхний предел частот, которые, могут генерировать атомные системы, составляет  Излучения более высоких частот (например, гамма-излучение) испускаются атомными ядрами.

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) приведена в таблице 5.

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике в таких процессах и явлениях, как:

• плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны),
• телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны);
• мобильная связь, радиолокация (микроволны);
• сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение);
• освещение, голография, лазеры (видимое излучение),
• люминесценция в газоразрядных лампах, лазеры (ультрафиолетовое излучение),
• рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение),
• дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, военное дело (гамма-излучение).

Пример №1

Радиоприемник настроен на радиостанцию, работающую на длине волны  Во сколько раз  необходимо изменить емкость приемного колебательного контура радиоприемника, чтобы настроить его на длину волны 

Дано: 

Решение

Длина волны определяется по формуле:

где 

По формуле Томсона

Тогда для двух длин волн можем записать:

Разделив второе уравнение на первое, получим:

Отсюда

Ответ: 

Итоги:

Идеальным колебательным контуром или LС-контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.

Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре определяется формулой Томсона:

Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по резистору сопротивлением  в электрической цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток:

Действующее значение напряжения:

Сопротивление  резистора, на котором в цепи переменного тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называется активным или омическим сопротивлением.

Трансформатор — электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора:

Если  то трансформатор понижающий, если  — повышающий. Совокупность связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Электромагнитными волнами называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как колебания напряженности  и индукции  происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Модуль скорости распространения электромагнитных волн в вакууме равен модулю скорости распространения света:

Электромагнитные волны и волновая оптика

Изучение электромагнитных колебаний в электрической цепи показало, что изменение напряжения и силы тока из одной части цепи в другую распространяется с очень высокой, т.е. 300000 км/с, скоростью. Эта скорость намного превышает скорость упорядоченного движения заряженных частиц в проводнике. Механизм передачи электромагнитных колебаний из одной точки в другую стало возможным объяснить только с использованием понятия «поле».

Дж. Максвелл в 1864 году выдвинул гипотезу о существовании электромагнитных волн, которые могут распространяться в вакууме и диэлектриках. Мы кратко познакомимся с теорией электромагнитного поля и электромагнитных волн.

Распространение электромагнитных колебаний. Скорость электромагнитных волн

Глубоко изучая явление электромагнитной индукции, открытое в 1831 году М. Фарадеем, Максвелл пришел к выводу: любое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.

Основной причиной появления индукционной ЭДС в замкнутом проводнике, в опытах Фарадея, являются переменные электрические поля. Эти вихревые электрические поля могут быть созданы не только в проводнике, но и в открытом пространстве. Таким образом, изменение магнитного поля создает электрическое поле. Не встречается ли в природе обратное этому явление, т.е. переменное электрическое поле не создаст ли магнитного поля? Это предположение, если рассмотреть с точки зрения симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла. Согласно этой гипотезе, любое изменение электрического поля порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле.

Эта гипотеза Максвелла долгое время не находила своего подтверждения. Электромагнитные волны, спустя 10 лет после смерти Максвелла, экспериментально получены Г.Р. Герцом. В 1886-1889 годах для

получения электромагнитной волны Г. Герц закрепил на концах прямого стержня два шарика или цилиндр диаметром 10-30 см, разделенных тонким слоем воздуха (рис. 4.1). В других опытах был использован металлический лист с размерами сторон по 40 см. Расстояние между шариками составляло несколько мм. 

Цилиндр или шарики были подсоединены к источнику высокого напряжения, который заряжал их положительным или отрицательным зарядом. При достижении определенного значения напряжения между шариками появлялись искры. В период возникновения искры в вибраторе появляются высокочастотные затухающие колебания. Если электромагнитные колебания распространяются и создаются волны, то во втором вибраторе должна появиться ЭДС, в результате чего между шариками появляются искры. Наблюдая это явление, Герц доказал существование электромагнитных волн.

Рассмотренный в предыдущей главе колебательный контур был замкнутым и излучение им колебаний было мало.

Постепенно удалим обкладки конденсатора друг от друга (рис. 4.2).

В этом случае силовые линии поля выходят из области, расположенной между обкладками, и распространяются в пространстве. Если обкладки установить так, чтобы одна смотрела строго вверх, а вторая вниз, то электромагнитные колебания полностью распространяются в пространстве.

Контур такого вида называется открытый колебательный контур.

Чтобы представить электромагнитные волны, которые распространяются, рассмотрим рис. 4.3. Пусть в какой-то момент в области А пространства будет переменное электрическое поле. В этом случае переменное электрическое поле вокруг себя создает магнитное поле. Переменное магнитное поле в соседней области создает переменное электрическое поле. В последовательно расположенных областях пространства появляются перпендикулярно расположенные, периодически изменяющиеся электричесские и магнитные поля. Распространение электромагнитных волн также называется излучением.

Силовые линии магнитного поля

В экспериментах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычисляя частоту собственных электромагнитных колебаний, возникающих в вибраторе, с помощью формулы , он определил скорость распространения электромагнитных волн. Она оказалась равной скорости света.

Последующие современные измерения подтвердили правильность этого значения.

Пример №2

Напряжение в открытом колебательном контуре изменяется по закону Определите длину электромагнитной волны  которая распространяется в воздухе.

Дано:  Найти:

Формула:

Решение:

Общие свойства электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн можно изучить с помощью специального генератора, который излучает электромагнитные волны. Высокочастотная электромагнитная волна, создаваемая в генераторе, распространяется через антенну, называемую рупором генератора (рис. 4.4).

Форма антенны приемника похожа на форму распространяющей антенны. ЭДС, созданная за счет электромагнитной волны, принятой в антенне, преобразуется в пульсирующий ток с помощью кристаллического диода. После усиления ток подается на гальванометр и регистрируется.

Отражение электромагнитных волн

Если между излучающим и принимающим рупорами установить металлическую пластину, то звук будет не слышен. Электромагнитные волны, не преодолевая металлические пластины, возвращаются. Теперь излучающий рупор развернем вверх (вниз). Металлическую пластину расположим сверху (снизу) так, как показано на рис. 4.5. В этом случае можно заметить, что принимающая антенна при расположении под углом, равным углу падения, принимает звук.

Отражение электромагнитных волн от металлической пластины можно объяснить следующим образом. Электромагнитные волны при столкновении с металлом создают на его поверхности вынужденные колебания свободных электронов. Частота этих вынужденных колебаний будет равна частоте электромагнитных волн. Волна не может пройти через металл, но поверхность металла становится источником вторичных волн, т.е волна возвращается от поверхности. Опыты показывают, что при отражении электромагнитных волн на границе двух сред выполняются законы отражения. Если вместо металлической пластины взять диэлектрик, то количество отраженных от него электромагнитных волн очень мало, т.к. в диэлектриках число свободных электронов незначительно.

Отражением электромагнитных волн широко пользуются в радиосвязи и радиолокации (рис. 4.6).

Призма

Преломление электромагнитных волн

Для изучения этого явления вместо металлической пластины берется треугольная призма, заполненная парафином (рис. 4.7). Принимающая антенна регистрирует волну. Значит, электромагнитная волна при прохождении двух сред, воздух-парафин и парафин-воздух, преломляется. Эксперименты показывают, что при прохождении электромагнитной волны из одной среды в другую, выполняются законы преломления:

Здесь:диэлектрическая проницаемость первой и второй сред соответственно.

Расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одинаковой фазе, называется длиной электромагнитной волны:

Основной характеристикой электромагнитной волны является ее частота v (период Т). При прохождении электромагнитной волны из одной среды в другую меняется длина волны, а частота остается постоянной.

Направление колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля будут перпендикулярными друг к другу и направлению распространения волны (рис. 4.8). Значит, электромагнитные волны являются поперечными волнами.

Скорость распространения электромагнитной волны направлена перпендикулярно вектору напряженности электрического поля и вектору индукции магнитного поля

Одной из основных энергетических характеристик электромагнитной волны является плотность потока излучения электромагнитной волны.

Плотностью потока излучения электромагнитной волны называется электромагнитная энергия W, проходящая за время через поверхность с сечением S, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны:

Плотность потока излучения электромагнитной волны равна средней мощности излучения электромагнитной волны, проходящей за один период через единичное сечение. Ее называют интенсивностью волны.

Выражение подставим в формулу (4-2) и получим:

Единица плотности потока излучения или интенсивности волны Вт/м2.

Нарисуем цилиндр с основанием, равным и площадью S, расположенной перпендикулярно направлению потока излучения. Объем цилиндра равен: Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем:

здесь: w-плотность энергии электромагнитной волны. Подставляя формулу (4-3) в формулу (4-2), получим:

Плотность потока электромагнитной волны равна произведению плотности электромагнитной энергии и скорости распространения волны.

Электромагнитные волны, излучаемые точечным источником, распространяются по всем направлениям. Поэтому пространство, окружающее источник, можно рассматривать как сферу. Формулу (4-2) запишем в следующем виде:

здесь: – площадь поверхности сферы. Значит, интенсивность волны, излучаемой точечным источником, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Напряженность электрического поля и индукция магнитного поля пропорциональны ускорению колеблющихся частиц Ускорение в гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. С учетом плотность потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени частоты:

Пример №3

Электромагнитные волны распространяются в данной среде со скоростью Найдите длину волны, если частота электромагнитной волны равна 1 МГц.

Дано:  Найти:

Формула:

Решение:

Физические основы радиосвязи

В древности люди общались друг с другом на расстоянии с помощью различных средств. Из одной страны в другую отправляли письма с караванами, использовали почтовых голубей и т.д. В некоторых случаях для отправки писем и информации использовали специальных быстроходных скакунов, которые без остановки скакали и доставляли письма по адресу. При этом скорость доставки информации зависела от скорости каравана, скакунов, людей и т.д.

На пути перемещения информации встречалось множество препятствий и не было гарантии доставки объекта адресату, нельзя ли использовать электромагнитные волны для отправки сообщения?

Во-первых, электромагнитные волны распространяются с самой большой скоростью на свете. Во-вторых, ее не смогут поймать или удержать разбойники.

Из-за слабости искры, созданной на вибраторе Герца, невозможно было использовать ее для распространения сигналов на большие расстояния. За пять лет до изобретения А.С. Попова по отправке сигналов с помощью электромагнитных волн французский физик Э. Бранли находит убедительную высокочувствительную методику регистрации электромагнитных волн. Этот прибор Э. Бранли назвал когерером (от латин. kohaerens – быть на связи). Когерер состоит из стеклянной трубки, заполненной железными опилками, внутри которой установлены два электрода. Сопротивления этого прибора в обычных условиях большие.

Пришедшая электромагнитная волна создает переменный ток. Появляющаяся между опилками искра способствует их спеканию. В результате сопротивление резко уменьшается (в экспериментах А.С. Попова от 100000 Ом до 1000 Ом, т.е. в 100 раз больше). Но после одного раза протекания тока частицы порошка слипаются. Снова вернуть когерер в рабочее состояние можно, если его встряхнуть. Для этого А.С. Попов в цепь когерера подсоединил электрический звонок через электромагнитное реле. При поступлении электромагнитной волны молоточек этого звонка ударялся о когерер, встряхивал его и приводил в рабочее состояние.

В 1985 году 7 мая в городе Санкт-Петербурге в России русский инженер А.С. Попов демонстрировал впервые отправку и получение сообщения с помощью электромагнитных волн. Обмен информацией с помощью электромагнитных волн называется радиосвязью. Устройство, применяемое для отправки информации, называли радиопередатчиком, устройство для приема информации – радиоприемником.

А.С. Попов 1899 году установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 году довел это расстояние до 150 км.

Подобное устройство было почти одновременно изобретено итальянским инженером Г. Маркони.

При осуществлении радиосвязи возникла необходимость использовать высокочастотные электромагнитные колебания, т.к., во-первых, при малой частоте мала интенсивность, а значит и энергия  которой будет не достаточно, чтобы волны распространялись на большие расстояния. Во-вторых, информация от двух близко расположенных радиостанций может накладываться друг на друга.

Важным шагом стало изобретение в 1913 году генератора, создающего незатухающие электромагнитные колебания.

Сообщения стали передавать с помощью высокочастотных электромагнитных волн. Для этого на высокочастотные электромагнитные колебания, произведенные генератором, при отправке накладывали низкочастотные (частота звука) колебания. Здесь звуковые колебания с помощью микрофона превращались в электрические колебания.

Наложение низкочастотных (звуковых) колебаний на высокочастотные электрические колебания называется модуляцией. Блок-схема осуществления радиосвязи приводится на рис. 4.9.

Модулированные колебания с помощью антенны распространяются в пространстве. Одной из частей приемника радиосвязи также является антенна. Электромагнитные волны, столкнувшись в ней, создают электромагнитные колебания. В радиоприемнике необходимый выбор из множества радиостанций осуществляется через приемный контур.

После этого выделяются низкочастотные колебания из наложенных на высокочастотные колебания при отправке. Это осуществляется в демодуляторе. В колонке телефона низкочастотные электрические колебания превращаются в звуковые колебания.

Теперь рассмотрим, из каких элементов состоит простейший радиоприемник и изучим принцип его работы (рис. 4.10).

Радиоволны в антенне создают электромагнитные колебания. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности (L) и конденсатора переменной емкости (С). С помощью конденсатора переменной емкости частота контура настраивается на частоту нужной радиостанции. Этим путем из многочисленных сигналов радиостанций выбирается нужное.

Известно, что отправленные сообщения поступают в смешанном виде с высокочастотными колебаниями. Как было сказано, их выделение осуществляется с помощью устройства демодуляции. Это в большинстве случаев называют детектированием. Эту функцию выполняет полупроводниковый диод. Высокочастотное напряжение, созданное во входном контуре через диод VD, конденсатор и телефон , создает ток. При прохождении через диод высокочастотные и низкочастотные сигналы отделяются друг от друга. Высокочастотные сигналы поступают на конденсатор низкочастотные -на телефон Т.

Через телефон можно слушать радиопередачи. В простейшем радиоприемнике диод выполняет функцию детектора, а другие

электронные устройства не используются. Этот приемник называется детекторным радиоприемником.

Электромагнитные волны также широко используются в радиолокации (рис. 4.11).

При этом используется явление отражения электромагнитных волн, которое рассматривалось в предыдущей теме. С помощью радиолокации с высокой точностью можно измерить высоту, скорость и дальность летящих самолетов. Для этого в течение короткого времени выключают-включают радиопередатчик и регистрируют отраженную от самолета радиоволну.

С помощью электроаппаратуры, если измерить промежуток времени между отправкой и возвращением волны, можно найти путь, пройденный электромагнитной волной . Здесь: с – скорость электромагнитной волны. Путь, пройденный волной до объекта и обратно, будет

где    – Расстояние от антенны до объекта. Для определения

местонахождения объекта в пространстве отправляют радиоволны в виде тонкого излучения. Это осуществляется путем изготовления антенны в форме, близкой к сфере.

Методом радиолокации точно измерены расстояния от Земли до Луны и до планет Меркурий, Венера, Марс и Юпитер.

Пример №4

Радиолокатор работает на длине электромагнитной волны 15 см и каждую секунду испускает 4000 импульсов. Продолжительность каждого импульса 2 мкс. Найдите число колебаний в каждом импульсе. Определите дальность действия данного радиолокатора.
Дано:   Найти:

Формула:

Решение:

Физические основы телевидения

В настоящее время невозможно встретить человека, который бы не смотрел телевизор. Передачи об окружающей среде, разные развлекательные программы, мультфильмы смотрят все. Кроме этого, разные важные события в жизни человека, свадьбы и мероприятия снимают на видео и присматривают их в любое время. Не бывая на Луне, Венере и Марсе, с помощью телекамер, установленных на космических кораблях, можно рассмотреть их поверхность. Это считается успехом телевидения. Так каким же образом видеозаписи передаются от одного места в другое? А как они превращаются в изображение на месте приема сигналов?

Подобные вопросы, конечно, заинтересуют множество учащихся. Простая блок-схема устройства, в которой осуществляется телепередача, приводится на рис. 4.12.

В предыдущих темах мы узнали, что звуковые колебания с помощью микрофона превращаются в электрические колебания. Таким же образом изображение сначала превращается в электрические сигналы. Этот процесс осуществляется в специальном устройстве, называемом видеокамерой. Сигналы, созданные в видеокамере, усиливаются с помощью специального электронного устройства.

В модуляторе к высокочастотным электромагнитным колебаниям, выработанным генератором, добавляются сигналы изображения. В устройстве телепередачи имеется отдельный блок радиопередачи. Ее принцип работы не отличается от устройств, с которыми мы познакомились в предыдущей теме.

В последнем блоке устройства телепередачи модулированные сигналы звука и изображения в цельном виде передаются излучающей антенне.

Детектор выделяет из высокочастотных сигналов изображение и звуковые сигналы. Сигнал изображения передается на экран телевизора, сигнал звука – на радиоколонку.

В антенне устройства телеприемника телесигналы превращаются в электрические колебания. С помощью входного контура выбираются необходимые программы. Выделенные слабые сигналы усиливаются в специальном электронном блоке и передаются на детектор.

Существует возможность менять тон звука, управлять различными функциями дистанционно и т. д. Поэтому в телевизоре, кроме тех блоков, которые мы перечислили, имеются и другие блоки.

Телесообщения распространяются в частотном диапазоне между 50 МГц и 230 МГц. Такие волны распространяются только на видимой границе антенны. Поэтому для охвата больших территорий телесообщением требуется увеличить высоту антенн и уплотнить их расположение. Для отправки телепередачи еще дальше можно пользоваться спутниковой связью.

Известно, что 9 мая 1911 года в Санкт-Петербургском технологическом институте Б.Л. Розинг создал неподвижное изображение решетки на экране электронно-лучевой трубки.

Дальнейшее развитие телевидения связано с Ташкентом. Лаборант Среднеазиатского Государственного университета Борис Павлович Грабовский проводил работу по созданию телевизионного аппарата, имеющего двигающееся изображение. Совместно с инженерами В.И. Поповым и Н.Г. Пискуновым они разработали конструкцию аппарата «радиотелефот». Данная разработка 9 ноября 1925 года получила удостоверение под входящим номером № 4899 и патент № 5592. Этот проект включал в себя все элементы современной телевизионной системы. Для реализации этого проекта – «видеть через радио» – нужны были дополнительная аппаратура и приборы. Тогда помощник Г. Белянский обратился за помощью к председателю Президиума России. Руководство республики выделило изобретателям необходимые финансовые средства. Для телевизионного устройства были выполнены заказы на всех предприятиях и в лабораториях Ташкента.

Официальные испытания дедушки современного телевизора «Телефот»а проходили 26 июля 1928 года в здании связи округа под председательством профессора Среднеазиатского Государственного университета Н.Н. Златовратского. Тогда первый раз увидели изображение

движущегося человека. 4 августа по «телефот»у был показан движущийся трамвай по улице. «Телефот» был усовершенствован: разработаны его другие варианты и проведены исследования учеными и инженерами всего мира. Телевизоры приобрели современный вид. Поэтому мы с гордостью можем сказать, что «Родина телевидения – это Россия».

* Среди бывших среднеазиатских республик первый черно-белый телевизионный центр начал работать в России в 1956 году.

В бывшем СССР до 1990 года существовало только два всесоюзных канала: «Первый (Москва)» и «Второй (Орбита)». На третьем канале транслировались местные программы. В России в качестве 4-ой программы по очереди транслировались передачи Киргизского и Таджикского телевидения. В 1956 году в России была построена телебашня высотой 180 м, которая систематически осуществляла телепередачи. В 1967 году была запущена передача цветного изображения под названием СЭКАМ. В 1978-1985 годах в городе России, на правом берегу канала Бозсув, была построена и запущена в эксплуатацию телебашня высотой 375 м. Ее глубина под землей составляет Ими общий вес превышает 6000 тонн. Эта телебашня по высоте в Центральной Азии на 1-ом месте, а во всем мире – после Останкино (Москва), Торонто (Канада), Токио (Япония) и др. – на 9-ом месте. В России работали 4 государственных канала: Россия. Последние два из них показывали российские каналы. В 1998 году появился первый частный канал, который назывался 30-ым каналом. В 2008 году на его частоте начал работать канал на русском языке Соф ТС. В последние годы открылось множество частных телеканалов. В 2017 году начал работать круглосуточный канал «Россия 24».
Переключайте домашний телевизор в рабочем состоянии на другую программу, изменяйте высоту звука. Подумайте, по какой причине они изменяются при управлении пультом.

Электромагнитные волны

В главах «Электромагнитные колебания» и «Переменный ток» были представлены низкочастотные электромагнитные колебания, созданные индукционным генератором. Они получили широкое применение в электротехнике: созданы устройства для получения, передачи и использования энергии электромагнитных колебаний низкой частоты. В данной главе будут рассмотрены основы радиотехники. В радиотехнике осуществляется беспроводная связь источника высокочастотных колебаний с приемником посредством электромагнитных волн.

Изучив эту страницу, вы сможете:

• объяснять условия возникновения электромагнитных волн и описывать их свойства;
• описывать модуляцию и детектирование высокочастотных электромагнитных колебаний;
• различать амплитудную (AM) и частотную модуляции (FM);
• объяснять принцип работы детекторного приемника;
• объяснять преимущества передачи сигнала в цифровом формате в сравнении с аналоговым сигналом;
• систематизировать средства связи и предлагать возможные пути их совершенствования.

Излучение и прием электромагнитных волн. Вихревое поле. Гипотеза Максвелла

Наблюдая явление электромагнитной индукции, М. Фарадей установил, что при изменении магнитного поля возбуждается вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. У них нет ни начала, ни конца, они охватывают линии магнитной индукции. Направление силовых линий вихревого поля определяют по правилу Ленца. При возрастании магнитной индукции вектор напряженности образует с вектором магнитной индукции левый винт, при уменьшении – правый винт (рис. 98).

Изучив свойства электрического и магнитного полей, Максвелл предположил, что во всех случаях, когда электрическое поле меняется, оно порождает переменное магнитное поле. Согласно гипотезе Максвелла при зарядке конденсатора магнитное поле создается не только вокруг проводника с током, но и между обкладками конденсатора (рис. 99).

При этом вектор магнитной индукции  созданного поля образует с вектором напряженности правый винт, если напряженность электрического поля возрастает и левый винт, если напряженность убывает

Вспомните! Вокруг наэлектризованных тел создается электростатическое поле, вокруг проводника с током создается магнитное поле.

Условия излучения электромагнитных волн

В 1865 г. Максвелл теоретически предсказал, что переменное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Всякое изменение напряженности электрического поля в некоторой точке пространства вызывает появление переменного магнитного поля, которое в свою очередь порождает вихревое электрическое поле. Происходит передача колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля из одних точек пространства в другие, создается электромагнитная волна (рис. 100).

Напряженность электрического поля меняется при ускоренном движении заряженных частиц, следовательно, переменный ток мог бы стать источником электромагнитной волны. Но стандартная частота колебаний переменного тока 50 Гц недостаточна для создания волны высокой энергии, интенсивность колебаний заряженных частиц ничтожно мала. Одним из необходимых условий для создания электромагнитных волн является высокая частота электромагнитных колебаний, порядка десятка мегагерц. Колебания такой частоты происходят в колебательном контуре, но закрытый колебательный контур не излучает энергию и не создает волну.

Для создания волны необходимо освободиться от участков цепи с противофазными колебаниями тока в катушке и увеличить расстояние между обкладками конденсатора. Для этого необходимо распрямить витки катушки и раскрыть обкладки конденсатора, т.е. необходимо создать открытый колебательный контур (рис. 101). При этом условии энергия электромагнитного поля, созданного высокочастотными колебаниями, будет распространяться в окружающем открытом контуре пространства.

Электромагнитная волна – поперечная волна

Скорость волны На рисунке 99 изображены направления векторов напряженности электрического поля, индукции магнитного поля и скорости распространения волны в точках Направление распространения волны определяют по правилу буравчика.

Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора к вектору , то поступательное движение буравчика будет совпадать с вектором скорости .

Направления колебаний векторов напряженности и магнитной индукции перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной волной (рис. 102).

Максвелл установил связь скорости распространения волны с напряженностью и магнитной индукцией:

Скорость электромагнитной волны равна отношению напряженности электрического поля к индукции магнитного поля.

В своих расчетах он получил значение скорости электромагнитных волн в вакууме:

Согласно его расчетам скорость электромагнитных волн в других средах уменьшается в n раз:

где диэлектрическая проницаемость среды; магнитная проницаемость среды; показатель преломления среды.

Связь длина волны с длиной антенны. Частота колебаний

В открытом колебательном контуре, который принято называть вибратором или антенной, плотность зарядов максимальная на его концах и всегда равна нулю в середине. Сила тока, напротив, максимальная в середине вибратора и равна нулю на его концах. Перезарядка концов антенны происходит за половину периода следовательно, длина излучаемой волны превышает длину антенны вдвое:

где − длина излучаемой волны; длина антенны.

При известном значении длины волны не сложно рассчитать собственную частоту колебаний антенны, излучающей волну:

Силовые характеристики электромагнитной волны

Электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве, являются бегущими волнами. Следовательно, колебания напряженности или магнитной индукции в какой-либо точке пространства, расположенной по направлению выбранной оси, можно определить по формуле бегущей волны:

где − время, за которое волна достигнет точки пространства А, находящейся на расстоянии от источника электромагнитных колебаний по направлению выбранной оси (рис. 104).

Энергия, плотность энергии и интенсивность электромагнитной волны

Интенсивность света определяется энергией волны. Интенсивность волны I, или поверхностная плотность потока энергии, – это физическая величина, равная энергии переносимой волнами через единичную поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волн, в единицу времени.

Единица измерения интенсивности .

Выразим энергию волны через объемную плотность энергии 

где V − объем пространства, в котором сосредоточена энергия, переносимая через поверхность площадью S за время t (рис. 105). Выразим объем пространства через скорость распространения волны:  С учетом (9) и (10) из формулы (8) получим:

Интенсивность электромагнитной волны равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость распространения волны.

Свойства электромагнитных волн

Из курса 9 класса известно, что электромагнитные волны отражаются, преломляются, огибают препятствия. Генератор электромагнитных волн высокой частоты и приемник с рупорными антеннами позволяют исследовать свойства электромагнитных волн. Не сложно убедиться в том, что проводники отражают электромагнитные волны (рис. 106 а), диэлектрики поглощают их и преломляют (рис. 106 б), когерентные электромагнитные волны создают устойчивую интерференционную картину (рис. 106 в).

Радиосвязь. Детекторный радиоприемник. Интенсивность и частота волны

Звук человеческого голоса не может распространяться на большие расстояния. Следовательно, волны, в диапазоне частот от баса (80 Гц) до сопрано (1400 Гц) являются волнами низкой интенсивности. Для увеличения дальности передачи сигнала необходимы волны с высокой плотностью энергии.

Не сложно доказать, что интенсивность сферической волны, созданного точечным источником, убывает пропорционально квадрату расстояния:

где – площадь поверхности фронта волны.

Для решения проблемы передачи на далекие расстояния проведем следующие рассуждения: плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности электрического поля и квадрату магнитной индукции  Напряженность и магнитная индукция электромагнитного поля являются силовыми характеристиками волны.

На основании второго закона Ньютона они зависят от ускорения заряженных частиц, создавших волну: которая в свою очередь зависит от квадрата частоты колебаний. Очевидно, что плотность энергии пропорциональна частоте колебаний в четвертой степени:

интенсивность электромагнитной волны прямо пропорциональна плотности энергии следовательно, она пропорциональна четвертой степени частоты:

С повышением частоты сигнала радиус действия передающей антенны возрастает. При увеличении частоты колебаний в 2 раза интенсивность электромагнитной волны увеличивается в 16 раз, увеличение частоты в 4 раза приведет к повышению интенсивности в 256 раз.

Модуляция сигнала несущей частоты. Принцип действия радиопередатчика

В радиотелефонной связи информацию передают на большие расстояния наложением колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал генератора на транзисторе.

Частоту колебаний, созданных генератором высокой частоты, называют несущей частотой.

Наложение колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал называют модуляцией.

Модуляцию можно осуществить изменением амплитуды (АМ) или частоты (FM) колебаний несущей частоты. Принципиальная схема радиопередатчика, излучающего амплитудно-модулированные сигналы, изображена на рисунке 107.

Схема устройства простейшего радиопередатчика на транзисторе без усилителей представлена на рисунке 109. В изображенном радиопередатчике модулятором служит трансформатор. Одна из его обмоток подключается последовательно с колебательным контуром генератора. На вторую обмотку подается напряжение звуковой частоты с выхода микрофона. Переменный ток во второй катушке трансформатора индуцирует переменное напряжение на концах первой катушки. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором приводит к изменению амплитуды силы тока в цепи с частотой звуковой волны. Модулированные колебания тока высокой частоты в передающей антенне создают электромагнитную волну.

Принцип действия радиоприемника

Из множества сигналов одновременно работающих станций антенна радиоприемника выделяет один с резонансной частотой (рис. 110). Осуществить прием сигнала в режиме резонанса позволяет конденсатор переменной емкости колебательного контура в радиоприемнике. Принятый сигнал проходит через усилитель высокой частоты (УВЧ) и поступает в детектор, который из высокочастотных модулированных колебаний выделяет низкочастотные. После усилителя низкой частоты (УНЧ) колебания преобразуются в телефоне или динамике в звуковые колебания.

Схема простейшего радиоприемника без усилителей изображена на рисунке 111. Детектором в радиоприемнике служит диод, через который в силу односторонней проводимости этого прибора протекает пульсирующий ток. Конденсатор, подключенный к телефону параллельно, полпериода заряжается, затем полпериода разряжается через телефон или динамик, тем самым сглаживает пульсирующий сигнал. Через телефон проходит ток той же частоты, что и в микрофоне радиопередатчика. Таким образом, телефон преобразует электрические колебания в механические и воспроизводит переданные звуки.

Аналого-цифровой преобразователь. Каналы радиосвязи

Диапазоны частот сигналов радиостанций не должны быть близкими, иначе при осуществлении приема сигнала одной станции будут помехи от сигналов других станций. Поэтому число каналов аналоговой радиосвязи было ограниченным.

Частотным каналом радиосвязи называют частоту радиоволн, выделенную и используемую для радиосвязи между конкретными пользователями.

Ширина частотного канала определяется объемом передаваемой информации. Наиболее широкие сигналы необходимы в телевидении для передачи звука, изображения и сигнала синхронизации звука с изображением. Ширина канала при неизменном объеме информации сужается, если использовать ультракороткие волны (УКВ), передача и прием которых возможен только в пределах прямой видимости. С появлением спутниковой связи этот недостаток УКВ стал их преимуществом. Радиосигналы на УКВ, направленные к спутнику, усиливаются бортовым ретранслятором и передаются в нужный участок планеты на сотни и тысячи километров от места передачи.

УКВ благодаря ограниченности радиуса действия в наземных условиях получили широкое применение в сотовой связи. Одни и те же частотные каналы используются не только на территории различных стран, но и внутри одной страны.

Международная классификация электромагнитных волн по частотам

В зависимости от частоты (длины) волны свойства распространения, отражения, преломления, дифракции проявляются по-разному, поэтому на международном уровне была принята классификация радиоволн (таблица 5).

Цифровые технологии. Аналого-цифровой преобразователь

Распределение частотных каналов между радио и телевизионными станциями ограничивало число радио- и телепередач. С появлением цифровой технологии ситуация изменилась. Цифровое кодирование сигнала в аналого-цифровых преобразователях (рис. 112) позволило работать нескольким станциям на одних и тех же частотах, число передач возросло в десятки раз. Звуковой и телевизионный сигнал с помощью цифровых технологий кодируется в двоичной системе (рис. 113) и передается пакетом, который меньше подвержен различным помехам. Качество сигнала после раскодировки в принимающем устройстве, значительно превышает качество сигнала, при осуществлении аналоговой радиосвязи.

 

Принцип цифрового телевидения

Современное телевидение основано на цифровой технологии. Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рисунке 114. Рассмотрим назначение основных частей системы.

Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует цветное изображение, которое поступает в аналого-цифровой преобразователь. В следующей части системы, называемой кодером изображения или кодером видео, осуществляется кодирование видеоинформации для передачи сигналов по стандартным каналам связи. Сигналы звукового сопровождения также преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется еще одно кодирование передаваемых данных для повышения помехоустойчивости. Цифровым сигналом, полученным в результате нескольких этапов кодирования, модулируют несущую частоту используемого канала связи.

В приемной части системы (рис. 115) все процессы осуществляются в обратном порядке: осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования.

Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится цветное изображение. На выходе декодера звука получают сигналы звукового сопровождения, также преобразованные в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.

Принцип цифрового радиовещания

Интересно знать! Изображение на экране представляет собой совокупность точек, пикселей, разных цветов. Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту: или черная – 1, или белая – 0. Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Для получения богатой палитры базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Для 256 цветов объем информации 8 бит или 1 байт, для 4 294 967 296 цветов – 32 бита или 4 байта.

Обратите внимание! Аудиокарта АЦП разделяет звук на очень мелкие временные участки и кодирует степень интенсивности каждого из них в двоичный код. Такое деление называют дискретизацией. Чем выше частота дискретизации, тем качественней получается запись. Если звуковая карта АЦП – устройства для раскодирования отцифрованного сигнала не поддерживает высокий уровень дискретизации, то сигнал не будет воспроизведен.

Развитие современных средств связи. Сеть Интернет

Реализация в РК проекта «Строительство и перевод сети телекоммуникаций на технологии NGN позволяет через одну сеть предоставить все услуги одновременно для телефонной связи, для доступа в Интернет, для кабельного телевидения, для проводного радиовещания. Основной тенденцией отрасли телекоммуникаций являются внедрение и развитие цифровых технологий телерадиовещания. В Республике Казахстан развивается сеть широкополосного доступа к сети Интернет с использованием современных технологий: ADSL, CDMA/EVDO, FTTH; 3G, 4G.

Строительство универсальной волоконно-оптической сети FTTH начато в 2011 году с целью удовлетворения растущего спроса на услуги высокоскоростного широкополосного доступа к Интернету и расширения спектра предоставляемых услуг. Проект предусматривает 100 %-ный охват многоквартирных домов и коттеджных застроек в городах Нур-Султан, Алматы и во всех областных центрах РК. Волоконно-оптические линии связи обладают рядом преимуществ:

• высокая пропускная способность в сочетании с большими расстояниями;
• защита от несанкционированного доступа: информацию невозможно «прослушать», не нарушив волоконно-оптический кабель;
• возможность объединения территориально удаленных офисов корпорации.

Для предоставления сельскому населению РК услуги широкополосного доступа к сети Интернет используется технология CDMA − это технология связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Начиная с 2011 года, она усовершенствуется благодаря дооборудованию платами EVDO. Высокая скорость передачи данных по технологии CDMA 450/EVDO достигается за счет применения новых алгоритмов сжатия цифровых данных.

Обратите внимание! Министерством транспорта и коммуникаций в 2012 году была разработана программа «Информационный Казахстан – 2020». Основная цель программы – создание информационного общества. Основные задачи: обеспечение эффективности системы государственного управления, доступности информационно-коммуникационной инфраструктуры; создание информационной среды для социально-экономического и культурного развития общества; развитие отечественного информационного пространства. Реализация программы требовала развития современных средств связи, повышения уровня компьютерной грамотности населения, освоения сетевых технологий.

Возьмите на заметку:

• NGN (Next Generation Network) – сеть связи следующего поколения;
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) – асимметричная цифровая абонентская линия; C
• DMA (Code Division Multiple Access) − множественный доступ с кодовым разделением;
• EVDO (Evolution Data Optimized) – улучшенная, оптимизированная;
• FTTH (Fiber to the Home) – оптоволоконный кабель в дом.

Цифровое телерадиовещание

Технология ADSL разработана для быстрой передачи информации, она основана на использовании телефонных проводов в качестве линии высокоскоростной передачи данных. Два модема подключают к концам телефонного кабеля (рис. 117). Для одновременной передачи нескольких сигналов по одной линии используют сплиттер – электрический фильтр для частотного разделения каналов. Каждый пользователь имеет специальный преобразователь, декодирующий сигнал и позволяющий видеть на экране телевизора разные передачи.

Скорость передачи данных зависит от диаметра проводов и ее протяженности. Затухание сигнала в линии увеличивается при увеличении длины линии и уменьшается с увеличением диаметра провода. Функциональным пределом для ADSL является абонентская линия длиной 3,5–5,5 км при толщине проводов 0,5 мм. В настоящее время ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных от сети к абоненту в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с. Скорость «восходящего» потока данных от абонента в сеть составляет от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. ADSL может обеспечить одновременную высокоскоростную передачу видеосигнала без прерывания обычной телефонной связи, для которой используется та же телефонная линия (рис. 118)

Сотовая связь

Все сотовые операторы Казахстана до 2012 г. использовали сеть третьего поколения 3G. Технология 3G обладает рядом преимуществ: благодаря высокой скорости загрузка и пересылка мультимедиа происходит за считанные секунды. Собеседника можно не только слышать, но и видеть, возможны режимы видеоконференции и видеотрансляции. Благодаря технологии 3G слабослышащие впервые получили возможность общаться посредством видеозвонков.

С 2012 г. началась реализация проекта по строительству сетей четвертого поколения стандарта 4G. Технология 4G обеспечивает возможность создания систем мобильной связи, оптимизированных для пакетной передачи данных.

Сетевые технологии. Дата-центр

Отрасль телекоммуникаций и связи является растущим и связующим сегментом казахстанской экономики, она оказывает влияние на увеличение производительности труда и создание условий для прогрессивного развития отечественных предприятий и их интеграции в мировую экономику.

В Павлодаре в декабре 2012 г. запущен в эксплуатацию первый крупнейший в СНГ дата-центр, представляющий собой комплекс сетевого и вычислительного оборудования и специализированного программного обеспечения. На базе созданного дата-центра малому и среднему бизнесу предоставлены IT-услуги: облачная система хранения данных, виртуальный резервный центр обработки данных, программное обеспечение для бизнеса, система интерактивного общения и обмена информацией, облачная серверная платформа. Проект был реализован АО «Казахтелеком» совместно с компанией из Калифорнии Hewlett-Packard, которая является мировым лидером в строительстве дата-центров. Сеть из 16 дата-центров АО «Казахтелеком» охватывает всю республику. На рисунке 119 изображен серверный дата-центр г. Алматы.

Облачные технологии

Над внедрением облачных технологий в Казахстане активно работает ведущий оператор связи. В июне 2011 г. подписан меморандум о сотрудничестве с компанией Microsoft. В первом квартале 2012 г. запущены такие облачные решения, как Microsoft Hosted Exchange и Microsoft Share Point Hosting.

Основные функции Microsoft Hosted Exchange − обработка и пересылка почтовых сообщений, поддержка мобильных устройств и веб-доступ, интеграция с системами голосовых сообщений, а также поддержка систем обмена мгновенными сообщениями.

Share Point Hosting – техническая платформа компании Microsoft для создания внутренних корпоративных ресурсов для обмена информацией и совместной работы. Платформа Share Point дает возможность создавать документы Office с возможностями отслеживания изменений, блоги, форумы, опросы, wiki-страницы, шаблоны страниц.

Сетевые социальные проекты

Рост компьютерной грамотности населения и вовлеченность в сетевые социальные проекты приводят к более интенсивному использованию услуг связи. Происходит развитие электронного документооборота, подача через Интернет заявлений в различные государственные учреждения, осуществление коммунальных платежей и интернет – торговля.

На портале egov.kz, граждане могут бесплатно получить доступ ко всей информации о государственных органах, в том числе имеется доступ к законодательной базе Казахстана. Посредством портала решены задачи предоставления информации и услуг гражданам, бизнесу и государственным органам.

Итоги:

Гипотеза Максвелла:

Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Всякое изменение электрического поля вызывает появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля.

Глоссарий

Интенсивность волны – физическая величина, равная энергии переносимой волнами через единичную поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волн, в единицу времени.

Модуляция – наложение колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал.

Несущая частота – частота колебаний, созданных генератором высокой частоты.

Частотный канал радиосвязи – частота радиоволн, выделенных и используемых для радиосвязи между конкретными пользователями.

• Заказать решение задач по физике

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Читали ли вы в детстве сказки? Вспомните: «катится золотое яблочко по серебряному блюдечку», и герой сказки видит «горы высокие, моря глубокие» и многое другое, что происходит за «семью морями и семью горами». Что вам напоминает это сказочное устройство? Наверное, в том числе и мобильный Интернет. О том, какие открытия в физике позволили изобрести такую «сказочную» вещь, пойдет речь в этом параграфе.

Напомним: существуют два вида материи — вещество и поле. Оба существуют реально, а не представляют собой некую «модель», предназначенную для объяснения тех или иных физических явлений.

В прошлом учебном году вы узнали об электрическом поле, в этом году — о магнитном поле. Вы также выяснили, что изменяющееся магнитное поле не только действует на движущиеся заряженные частицы и намагниченные тела, но и создает электрическое поле. К такому выводу пришел в свое время Майкл Фарадей.

Рис. 19.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — английский физик и математик, творец классической электродинамики, один из основателей статистической физики

Руководствуясь принципом симметрии, Джеймс Максвелл (рис. 19.1) выдвинул подтвержденную со временем гипотезу о том, что не только изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а и изменяющееся электрическое поле создает магнитное. Согласно этой гипотезе электрические и магнитные поля всегда существуют вместе и нет смысла рассматривать их как отдельные объекты. То есть существует единое электромагнитное поле, а электрическое и магнитное поля — это две составляющие (две формы проявления) электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами и частицами и намагниченными телами.

Кто-то может не согласиться с выводом Максвелла, вспомнив, что, например, вблизи неподвижного заряженного тела существует только электрическое поле, а вблизи неподвижного постоянного магнита — только магнитное поле. Но ведь движение и покой зависят от выбора системы отсчета!

Представьте: держа в руках заряженный шарик, вы идете к своему товарищу. Если бы человек мог «видеть» электромагнитное поле, в данном случае вы «видели» бы только одну его составляющую — электрическое поле, так как относительно вас заряд неподвижен. В то же время ваш товарищ «видел» бы и электрическое поле, и магнитное, потому что относительно него заряд движется и электрическое поле изменяется (см. рис. 19.2).

Рис. 19.2. В системе отсчета, связанной с мальчиком, обнаруживается только электрическая составляющая электромагнитного поля. В системе отсчета, связанной с девочкой, обнаруживаются обе составляющие — и электрическая, и магнитная

Таким образом, утверждение, что в данной точке существует только электрическое (или только магнитное) поле, не имеет смысла, ведь не указана система отсчета. Вместе с тем мы никогда не найдем систему отсчета, относительно которой «исчезли» бы обе составляющие электромагнитного поля, ведь электромагнитное поле материально.

Проанализировав все известные законы электродинамики, Дж. Максвелл исключительно математически получил фантастический на то время вывод: в природе должны существовать электромагнитные волны.

Электромагнитная волна — это распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.

Попробуем представить, как образуется и распространяется электромагнитная волна. Возьмем проводник, в котором течет переменный ток (рис. 19.4). Как известно, вблизи любого проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле, созданное переменным током, тоже является переменным. Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле должно создать электрическое поле, которое тоже будет переменным. Переменное электрическое поле создаст переменное магнитное поле и т. д. Таким образом получим распространение колебаний электромагнитного поля — электромагнитную волну (рис. 19.5). Частота этой волны равна частоте, с которой изменяется сила тока в проводнике, а проводник с переменным током является источником электромагнитной волны.

Рис. 19.4. Переменный ток — это ток, сила которого периодически изменяется: со временем значение силы тока то увеличивается, то уменьшается; изменяется и направление тока

Рис. 19.5. Схематическое изображение механизма распространения электромагнитной волны

Электромагнитная волна, как и механическая (вспомните распространение волны от брошенного в воду камешка), может оторваться от своего источника и начать самостоятельно распространяться в пространстве. Интересно, что некоторые электромагнитные волны «путешествуют» во Вселенной почти с начала ее существования!

По теории Максвелла, источником электромагнитной волны может быть любая заряженная частица, движущаяся с ускорением (то есть частица, которая все время изменяет скорость своего движения или по значению, или по направлению, или одновременно и по значению, и по направлению). Если же частица неподвижна или движется с неизменной скоростью, вблизи этой частицы существует электромагнитное поле, однако электромагнитную волну она не излучает.

Излучением электромагнитных волн сопровождаются и некоторые процессы, происходящие внутри молекул, атомов, ядер атомов (теория таких процессов — квантовая теория — была создана в XX в.).

Характеристика электромагнитных волн

Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется частотой длиной и скоростью распространения Так же, как в случае с механическими волнами, данные величины связаны формулой волны:

В отличие от механических волн, для распространения электромагнитных волн среда не нужна. Наоборот, лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Дж. Максвелл теоретически вычислил скорость распространения электромагнитной волны в вакууме и с удивлением обнаружил, что полученное значение совпадает со значением скорости света в вакууме (к тому времени оно уже было измерено экспериментально):

Дж. Максвелл выдвинул правильное и смелое на то время предположение: свет является разновидностью электромагнитных волн (рис. 19.6). Ученый не только установил природу света, но и предугадал существование и свойства разных видов электромагнитных волн.

В вакууме — и только в нем — все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью поэтому для вакуума длина и частота электромагнитной волны связаны формулой:

Рис. 19.6. Свет — это электромагнитные волны. Частота этих волн изменяется примерно от Гц (красный цвет) до Гц (фиолетовый цвет)

При переходе из одной среды в другую скорость распространения электромагнитной волны изменяется, изменяется и длина волны, а вот частота остается неизменной. В воздухе скорость распространения электромагнитных волн почти такая же, как в вакууме.

Теория электромагнитного поля Максвелла была подтверждена экспериментально через 15 лет после создания: Генрих Герц (рис. 19.7) продемонстрировал излучение и прием электромагнитных волн.

Рис. 19.7. Генрих Рудольф Герц (1857-1894) — немецкий физик, один из основателей электродинамики

Получив электромагнитные волны, Г. Герц изучил их свойства. Он, в частности, установил, что электромагнитные волны:

• отражаются от проводящих предметов (угол отражения равен углу падения);
• преломляются на границе с диэлектриком;
• частично поглощаются веществом и частично рассеиваются им.

Все эти явления обусловлены действием электромагнитного поля на заряженные частицы в веществе. Так, если электромагнитная волна падает на поверхность металла, то на свободные электроны действует переменное электрическое поле (электрическая составляющая электромагнитной волны). В результате в поверхностном слое металла возникают переменные электрические токи, которые и излучают отраженную электромагнитную волну.

Подводим итоги:

Взаимодействие заряженных тел и частиц осуществляется при помощи электромагнитного поля. Электромагнитное поле имеет две составляющие (две формы проявления) — электрическую (электрическое поле) и магнитную (магнитное поле): изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Распространение в пространстве переменного электромагнитного поля называют электромагнитной волной. Скорость распространения волны, ее длина и частота связаны формулой волны: Лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова для любых электромагнитных волн и равна скорости света: Свет тоже является электромагнитной волной. Для вакуума формула волны имеет вид:

Шкала электромагнитных волн

Удобная мобильная связь, яркий солнечный свет, вредное радиоактивное излучение, полезный в небольших дозах ультрафиолет, ласковое тепло печи, «видящие насквозь» рентгеновские лучи… Все это — электромагнитные волны, они имеют общую природу и распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Почему же их свойства такие разные? Имеют ли они какое-то принципиальное отличие? Как образуются разные виды электромагнитных волн и где их применяют? Попробуем разобраться.

Разные виды электромагнитных волн прежде всего отличаются частотой, а следовательно, длиной волны. Именно разные частоты — причина существенных отличий в некоторых свойствах электромагнитных волн.

Если расположить все известные электромагнитные волны в порядке увеличения их частоты (рис. 20.1), увидим, что частоты могут отличаться более чем в раз! Согласитесь, это огромная разница. И поэтому нетрудно представить, насколько разными могут быть свойства электромагнитных волн.

Шкала электромагнитных волн на рис. 20.1 разделена на участки, соответствующие разным диапазонам длин и частот электромагнитных волн, то есть разным видам электромагнитных волн. У волн одного диапазона одинаковый способ излучения и похожие свойства.

Радиоволны — от сверхдлинных с длиной более 10 км до ультракоротких и микроволн с длиной менее 0,1 мм — создаются переменным электрическим током.

Электромагнитные волны оптического диапазона излучаются возбужденными атомами. В данном диапазоне различают:

• инфракрасное (тепловое) излучение (длина волны — от 780 нм до 1-2 мм);
• видимый свет (длина волны — 400-780 нм);
• ультрафиолетовое излучение (длина волны — 10-400 нм).

Рентгеновское излучение (длина волны — 0,01-10 нм) возникает вследствие быстрого (ударного) торможения электронов, а также в результате процессов внутри электронных оболочек атомов.

излучение (длина волны менее 0,05 нм) испускается возбужденными атомными ядрами во время ядерных реакций, радиоактивных преобразований атомных ядер и преобразований элементарных частиц.

Рис. 20.1. Шкала (спектр) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин существующих в природе электромагнитных волн

Радиоволны

В технике наиболее часто используются электромагнитные волны радиодиапазона. Их применяют в мобильной связи, радиовещании, телевидении, для обнаружения и распознавания различных объектов (радиолокация), определения местонахождения объектов (GPS-навигация, GPS-мониторинг и др.), для связи с космическими аппаратами и т. д. (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Микроволновая печь — устройство, в котором используют радиоволны высокой частоты (обычно Гц)

Радиоволны сделали жизнь человека намного комфортнее. Однако они влияют на общее состояние людей и животных, при этом чем короче волны, тем сильнее реагируют на них организмы.

Мощные электромагнитные волны негативно воздействуют на человека. Медики утверждают, что сотовый телефон — опасный источник электромагнитного излучения, тем более что он часто находится вблизи мозга и глаз человека. Поглощаясь тканями головного мозга, зрительными и слуховыми анализаторами, волны передают им энергию. Со временем это может привести к нарушениям нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем.

Инфракрасное излучение

Между радиоволнами и видимым светом расположен участок инфракрасного (теплового) излучения. В промышленности это излучение используют для сушки лакокрасочных поверхностей, древесины, зерна и др. Инфракрасные лучи применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Эти лучи невидимые и не отвлекают внимания человека. Но существуют приборы, которые могут ощущать и преобразовывать невидимое инфракрасное изображение в видимое. Так работают тепловизоры — приборы ночного видения, «улавливающие» инфракрасные волны длиной 3-15 мкм. Такие волны излучают тела, которые имеют температуру от -50 до 500 °С.

Интересно, что многие представители фауны обладают своеобразными «приборами ночного видения», способными воспринимать инфракрасные лучи (рис. 20.3, 20.4).

Рис. 20.3. Глубоководные кальмары кроме обычных глаз имеют еще термоскопические — они расположены на хвосте и улавливают инфракрасные лучи

Рис. 20.4. Американская гремучая змея имеет сверхчувствительный термолокатор, расположенный в лицевой ямке между глазами

Из всего спектра наиболее естественным для организма человека является инфракрасное излучение. Волны, имеющие длины приблизительно 7-14 мкм, по частоте близки излучению человеческого тела и оказывают на организм человека чрезвычайно полезное воздействие. Самый известный естественный источник таких волн на Земле — это Солнце, а самый известный искусственный — дровяная печь, и каждый человек обязательно ощущал на себе их благотворное влияние.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение, в отличие от видимого света и инфракрасного излучения, имеет высокую химическую активность, поэтому его применяют для дезинфекции воздуха в больницах и местах большого скопления людей.

Основной источник естественного ультрафиолетового излучения — Солнце. Атмосфера Земли частично задерживает ультрафиолетовые волны: те, что короче 290 нм (жесткий ультрафиолет), задерживаются в верхних слоях атмосферы озоном, а волны длиной 290-400 нм (мягкий ультрафиолет) поглощаются углекислым газом, водяным паром и тем же озоном.

В больших дозах ультрафиолетовое излучение вредно для здоровья человека (рис. 20.5). Чтобы снизить вероятность солнечного ожога и заболеваний кожи, врачи рекомендуют не находиться летом на солнце между 10 и 13 часами, когда солнечное излучение наиболее интенсивно. Однако в небольших количествах ультрафиолет положительно влияет на человека, так как способствует выработке витамина D, укрепляет иммунную систему, стимулирует ряд важных жизненных функций.

Рис. 20.5. Ультрафиолетовое излучение особо опасно для сетчатки глаза, поэтому высоко в горах, где ультрафиолетовые лучи меньше всего поглощаются атмосферой, нужно обязательно защищать глаза

Рентгеновское

Рентгеновское и излучение:

Чаще всего рентгеновское излучение используют в медицине, ведь оно имеет свойство проходить сквозь непрозрачные предметы (например, тело человека). Костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем другие ткани организма, поэтому кости четко видны на рентгенограмме. Рентгеновскую съемку используют также в промышленности (для выявления дефектов), химии (для анализа соединений), физике (для исследования структуры кристаллов).

Рентгеновское излучение оказывает разрушительное воздействие на клетки организма, поэтому применять его следует чрезвычайно осторожно.

излучение, которое имеет еще большую проникающую способность, используют в дефектоскопии (для выявления дефектов внутри деталей), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (для стерилизации продуктов). На организм человека у-излучение оказывает негативное влияние, в то же время четко направленное и дозированное у-излучение применяют при лечении онкологических заболеваний — для уничтожения раковых клеток (лучевая терапия).

Подводим итоги:

Спектр (шкала) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин электромагнитных волн, существующих в природе.

По способу излучения различают радиоволны (создаются переменным электрическим током); электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение — испускаются возбужденными атомами); рентгеновское излучение (возникает при быстром торможении электронов); излучение (испускается возбужденными атомными ядрами). Электромагнитные волны разных диапазонов имеют разные свойства, поэтому не одинаково влияют на человека и применяются в разных областях.

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. С увеличением частоты волны (с уменьшением ее длины) увеличиваются проникающая способность и химическая активность электромагнитного излучения.

Физические основы современных беспроводных средств связи

Обратившись к шкале электромагнитных волн (см. рис. 20.1), увидим, что наибольший ее участок принадлежит радиоволнам. Так как частоты этих волн существенно отличаются, то отличаются и свойства волн. Подробнее о радиоволнах вы узнаете в старшей школе, а сейчас остановимся на применении ультракоротких радиоволн (длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров).

Особенности распространения ультракоротких радиоволн

По своим свойствам ультракороткие радиоволны очень близки к световым лучам: они распространяются в пределах прямой видимости, их можно посылать узкими пучками. Именно эти свойства обеспечили широкое применение ультракоротких радиоволн в радиолокации, беспроволочной связи, спутниковом телевидении. Узкий луч меньше рассеивается (что позволяет применять менее мощные передатчики), его проще принимать.

Почему мобильную радиосвязь называют сотовой

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Для сотовой связи используют электромагнитные волны частотой от 450 до 3000 МГц. Главная особенность такой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на небольшие участки — соты (их так называют, поскольку они имеют форму шестиугольника). Каждая ячейка сот имеет площадь около 25 и обслуживается отдельной базовой станцией. Соты, частично перекрываясь, образуют сеть (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Основные составляющие сотовой сети: сотовые телефоны, базовые станции, центры коммутации

Каждый из вас умеет пользоваться мобильным телефоном. А как он осуществляет связь?

Когда вы включаете телефон, он начинает «прослушивать» эфир и улавливает сигнал базовой станции той ячейки, где вы на данный момент находитесь. После этого телефон излучает радиосигнал — посылает станции свой идентификационный код. С этого момента телефон и станция будут поддерживать радиоконтакт, периодически обмениваясь сигналами.

Но вы не всегда находитесь в одном месте, и, если в какой-то момент окажетесь в другой ячейке, ваш телефон наладит связь с базовой станцией этой ячейки. Ячейки частично перекрываются, поэтому вы даже не заметите, что вас начала обслуживать другая станция. А вот если телефон не сможет найти ближайшую станцию и передать ей свой код, связь прервется и на дисплее появится информация об отсутствии сети.

Описанными процессами «руководят» центры коммутации, которые связаны с базовыми станциями проводными каналами связи. По сути центр коммутации непрерывно «отслеживает» месторасположение вашего мобильного телефона. Он «передает» вас, как эстафетную палочку, от одной базовой станции к другой, когда вы «путешествуете» из ячейки в ячейку. Именно через центры коммутации осуществляется выход на другие сети: вы можете позвонить товарищу, телефон которого обслуживается другим оператором, сделать звонок на стационарный телефон, воспользоваться Интернетом и т. д.

Радиолокация

Свойство радиоволн отражаться от металлов установил Г. Герц. Со временем выяснили, что электромагнитные волны отражаются от любых тел, и чем лучше тело проводит электрический ток, тем больше энергия отраженной волны. На отражении радиоволн основана радиолокация.

Радиолокация — способ обнаружения, распознавания и определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка — радиолокатор (радар) — обеспечивает излучение радиоволн, а также прием радиоволн, отраженных от объекта (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Принцип работы радиолокатора

Если радиоволны излучать во всех направлениях или широким пучком, они будут отражаться одновременно от многих тел и выяснить, где находится интересующий объект, например самолет, будет невозможно. Поэтому радиолокатор посылает волны направленно и узким пучком, а обнаружение отраженного сигнала свидетельствует, что объект находится в направлении распространения радиоволн (рис. 21.3).

Рис. 21.3. Излучение узкого направленного пучка ультракоротких радиоволн и прием отраженного сигнала обеспечивает параболическая антенна радиолокатора

Различают два основных режима работы радиолокатора. В режиме поиска (сканирования антенна радиолокатора все время сканирует пространство (например, поворачивается по горизонтали и одновременно движется вниз-вверх). В режиме наблюдения антенна все время направлена на выбранный объект.

Как работает радиолокатор:

Радиосигнал, посылаемый радиолокатором, представляет собой короткий (продолжительностью миллионные доли секунды), но очень мощный импульс. Как только импульс послан, антенна радиолокатора автоматически переключается на прием: радиолокатор «слушает» эфир — ждет отраженного сигнала. У приемника высокая чувствительность (отраженный радиосигнал довольно слаб), поэтому на время излучения импульса приемник отключают, иначе аппаратура испортится.

Через определенный интервал времени (значительно больший, чем продолжительность импульса) антенна снова переключается на радиопередатчик, а радиолокатор посылает следующий импульс.

Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до цели и обратно. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе практически равна скорости распространения света в вакууме поэтому:

Интервал времени очень мал. Так, если расстояние до объекта равно 120 км, то отраженный радиосигнал вернется через

Радиолокаторы создавались исключительно в военных целях — для обнаружения самолетов противника (рис. 21.4). Со временем радиолокацию стали применять в других областях. Сейчас все воздушные, морские и океанские суда оснащены радиолокаторами — они помогают найти свободные проходы между облаками или айсбергами, в плохую погоду избежать столкновения с другими судами, уточнить курс и т. д. (рис. 21.5).

Рис. 21.4. Современный «летающий радар» может обнаружить самолет противника на расстоянии 540 км

Рис. 21.5. Радар современного морского судна

Радиолокационные станции в аэропортах помогают совершить посадку воздушным судам, а станции, установленные вдоль побережья, обеспечивают безопасный вход кораблей в порт.

Радиолокацию применяют в научных исследованиях, метрологии, сельском и лесном хозяйстве. Она помогает составить карты рельефа земной поверхности, исследовать плотность растительного покрова, обнаружить лесной пожар, определить состав почвы и т. д.

Важное значение имеет радиолокация в космических исследованиях. Запуски и посадки космических аппаратов невозможны без использования радиолокаторов. С помощью радиолокации были уточнены расстояния до Луны, Венеры, Марса. Радиолокаторы, установленные на искусственных спутниках Венеры, помогли проникнуть сквозь толщу облаков этой планеты и определить ее рельеф.

Подводим итоги

Сейчас особенно широко используют волны ультракороткого диапазона: с помощью специальных антенн их можно направить узким пучком, который меньше рассеивается, что позволяет использовать менее мощные передатчики; ультракороткие радиоволны применяют в сотовой связи, спутниковом телевидении, радиолокации. Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор создает узкий направлений пучок радиоволн и принимает радиоволны, отраженные от объектов. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно:

Механические и электромагнитные волны

1. Вы узнали о существовании механических волн и их видах.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Механическая волна — распространение колебаний в упругой среде.
Продольные	Поперечные
Частицы колеблются вдоль направления распространения волны Сжатие и растяжение среды	Частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны Относительное смещение слоев среды

2. Вы узнали о физических величинах, характеризующих механические волны, и установили соотношения между ними.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Частота волны	Скорость распространения волны	Длина волны
Равна частоте колебаний источника волны	Изменяется при переходе из одной среды в другую
Формула волны:

3. Вы ознакомились со звуковыми волнами и выяснили, что звуковые волны — это механические волны определенной частоты.

ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Инфразвук (1 мГц — 20 Гц)	Слышимый звук (20 Гц — 20 кГц)	Ультразвук (свыше 20 кГц)
Оказывает негативное воздействие на здоровье человека	Высота звука определяется частотой звуковой волны; громкость — амплитудой	Используют в медицине, дефектоскопии, эхолокации

4. Вы узнали, что теоретические исследования Дж. Максвелла и многочисленные эксперименты доказали неразрывную связь между электрическими и магнитными полями. Эти поля образуют единое электромагнитное поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие заряженных тел и частиц с намагниченными телами
Формы проявления электромагнитного поля
Электрическое поле	Магнитное поле
Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле

5. Вы узнали, что в природе существуют электромагнитные волны, ознакомились со свойствами электромагнитных волн разных диапазонов и некоторыми примерами их применения.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля
Некоторые общие свойства электромагнитных волн
Распространяются в вакууме с одинаковой скоростью:	Отражаются от проводящих поверхностей, при этом угол отражения равен углу падения	Преломляются на границе двух диэлектриков	Длина и частота волны в вакууме связаны формулой волны:

Увеличивается частота, уменьшается длина электромагнитной волны

Радио-волны	Оптический диапазон	Рентге- новское излучение	излучение
инфракрасное излучение	видимый свет	ультрафиолето- вое излучение

Увеличивается проникающая способность, усиливается химическая активность

6. Вы узнали, что на свойствах ультракоротких радиоволн распространяться узким пучком и отражаться от препятствий основана радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно: