Излучение и прием электромагнитных волн

48 № Сабақ / Урок № 48

Сабақ жоспары / План урока

Сабақтың тақырыбы / Тема урока

Излучение и прием электромагнитных волн

Электромагнитные волны

Идеи теории Максвелла. Экспериментальные исследования электромагнитных колебаний в электрических цепях показали, что изменения напряжения и силы тока передаются от одного участка электрической цепи к другому с исключительно большой скоростью — около 300000 км/с. Эта скорость во много раз больше скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводниках. Механизм передачи электромагнитных колебаний из одной точки в другую удалось объяснить только на основе полевых представлений. Дж. К. Максвелл в 1864 г. высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн, способных распространяться в вакууме и диэлектриках. Для выдвижения такой гипотезы были следующие основания.

В 1831 г. Фарадей установил, что любое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве индукционного электрического поля. Линии напряженности этого поля замкнуты, поэтому его называют вихревым полем. Касательная к линии напряженности индукционного электрического поля перпендикулярна вектору магнитной индукции в данной точке пространства, следовательно, вектор  магнитной индукции и вектор  напряженности индукционного электрического поля взаимно перпендикулярны (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Электромагнитное поле

Максвелл предположил, что любое изменение напряженности электрического поля сопровождается возникновением вихревого магнитного поля. Линии магнитной индукции этого поля замкнуты, они расположены вокруг линий напряженности переменного электрического поля точно так же, как вокруг проводников с электрическим током (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Изменение напряженности электрического поля порождает вихревое магнитное поле

Переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле, а переменное (вихревое) электрическое поле создает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле.

Согласно гипотезе Максвелла, однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окружающего пространства (Рисунок 1). Распространяющееся переменное электромагнитное поле и есть электромагнитная волна.

Из теории Максвелла вытекает ряд важных следствий, которые мы сформулируем без вывода:

1.         Существует особая форма материи — электромагнитное поле, характеризуемое двумя векторами: напряженностью  и индукцией . В частном случае неизменных (стационарных) полей имеется только электрическое поле (= 0,  ≠ 0) или только магнитное поле (= 0,  ≠ 0). В общем случае переменного поля оба вектора не равны нулю и изменяются одновременно. 2. В свободном пространстве переменное электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитной волны, у которой векторы  и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (Рисунок 3). Таким образом, в свободном пространстве электромагнитная волна является поперечной волной

Рисунок 3 - Электромагнитная волна

2.    Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью. Скорость распространения электромагнитной волны в веществе равна:

где ε и μ соответственно электрическая и магнитная проницаемости вещества, а ε₀ – электрическая постоянная (ε₀ = 8,854188_*10^-12Ф/м) и μ₀ – магнитная постоянная (μ₀=1,2566371_*10^-6 Гн/м).

В вакууме ε = μ =l и поэтому скорость электромагнитной волны:

Скорость электромагнитной волны в вакууме как фундаментальная величина обозначается буквой c. Итак:

В диэлектрике (μ ≈l) скорость электромагнитной волны:

.

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ПЕРЕНОСЯТ ЭНЕРГИЮ БЕЗ ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА

4. Свет является электромагнитной волной. Позже мы рассмотрим ряд свойств света, подтверждающих этот вывод. Электромагнитные колебания в электрических цепях происходят в ре­зультате распространения электромагнитных волн вдоль проводов.

Основным положением гипотезы Максвелла было утверждение о том, что электромагнитные волны могут распространяться не только вдоль проводника с током, но и в диэлектриках, и в вакууме, где нет электрических зарядов. Для подтверждения гипотезы Максвелла требовалось экспериментально обнаружить электромагнитные волны, измерить скорость их распространения и сравнить полученный результат с теоретически предсказанным.

Излучение электромагнитных волн

Рассмотрим колебательный контур. Как вы уже знаете, при электромагнитных колебаниях заряд на пластинах конденсатора периодически то увеличивается, то уменьшается. Следовательно, электрическое поле, существующее между пластинами, тоже периодически изменяется: усиливается и ослабевает. С таким же периодом, как и изменение заряда на пластинах конденсатора, изменяется и магнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности.

Но не следует думать, что между пластинами конденсатора существует только электрическое поле, а вокруг катушки индуктивности – только магнитное. Как уже отмечалось, в 1864 году английский ученый Д.Максвелл создал теорию, утверждающую, что электрическое поле и магнитное поле – лишь частные проявления единого электромагнитного поля. Они наблюдаются "по одиночке" лишь в том случае, если каждое из них не изменяется с течением времени. А поскольку электрическое поле между пластинами конденсатора непостоянно, как непостоянно и магнитное поле вокруг катушки индуктивности, то в пространстве вокруг колебательного контура обязательно существует переменное электромагнитное поле.

Вообразим, что пластины конденсатора постепенно отодвигают друг от друга (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Получение открытого колебательного контура (вибратора Герца)

При этом электромагнитное поле, существовавшее между пластинами, «выходит» в окружающее пространство. Несмотря на то, что поле по-прежнему создается электронами, движущимися от пластины к пластине, их наличие является уже необязательным. Поэтому провода, отходящие от катушки, превращаются в антенну – устройство для излучения (или приема) электромагнитных волн.

Опыты Герца         

Самостоятельная работа с книгой стр 125-126 по следующему плану:

1.      Состав опытной установки + рисунок 21.3 а и б

2.      Принцип работы

3.      Наблюдения

4.      Вывод

Изменение магнитного поля происходит при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике меняется при изменении скорости движения электрических зарядов в нем, т. е. при движении зарядов с ускорением. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электрических зарядов.

Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца в 1887 г. Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах (Рисунок 5). Эти стержни обладают определенной индуктивностью и электроемкостью и представляют собой излучающий электрический колебательный контур — вибратор. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно.

Рисунок 5 - Опытная установка Г. Герца

Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах - резонатор,— Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

Энергия электромагнитных волн

Электромагнитная волна, распространяясь в пространстве, переносит энергию.

            Под энергией электромагнитной волны подразумевается сумма энергий электрического и магнитных полей, распространяющихся в виде волны:

Соответственно плотность энергии электромагнитного поля складывается из плотностей энергий электрического и магнитного полей:

Свойства электромагнитных волн

Самостоятельная работа с книгой стр 133-137 по следующему плану:

1.      Состав опытной установки + рисунок

2.      Наблюдения

3.      Вывод

Домашнее задание:

1. Прочесть Учебник «Физика 11 класс. 1 часть» с. 115-137

2. Составить опорный конспект из материала 48.docx

3. Выполнить задание к уроку 48: Упр12 (1)

4. Задачу сфотографировать поместить в ворд и прикрепить на портал

Скачано с www.znanio.ru