Презентация по физике 11 класса "Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн"

Экспериментальное обнаружение ЭМВ. Плотность потока ЭМ излучения

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Открытый колебательный контур

Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке.
В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Ёмкость и индуктивность вибратора Герца малы, поэтому соответствующая им частота колебаний весьма велика.
В открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределены по всему проводнику.

Колебания в открытом контуре

Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Провод разрезали посредине с таким расчётом, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. На разрезанные концы надевали небольшие шарики. Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, между шариками проскакивала искра, цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания.
Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления; во-вторых, из- за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и всё повторяется сначала.

Опыты Герца

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно. В электромагнитной волне векторы Е и В перпендикулярны друг другу. В данном случае вектор Е лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль этой оси излучения не происходит.
Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приёмного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приёмном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приёмного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс.

Итоги опытов Герца

Учёный не только получил электромагнитные волны, но и открыл, что они ведут себя подобно другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и интерференцию волн.
При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отражённой от металлического листа, образуются максимумы и минимумы амплитуды колебаний — интерференционная картина. Если перемещать резонатор, можно найти положения максимумов и определить длину волны.
В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле
v = λ·ν
Она оказалась приближённо равной скорости света: с ~ 300 ООО км/с.
Опытами Герца были блестяще подтверждены предсказания Максвелла.

Плотность потока излучения

Рассмотрим плоскую электромагнитную волну, скорость которой перпендикулярна поверхности площадью S. На рисунке 6.10 изображена такая поверхность.
Прямые линии — лучи — указывают направления распространения электромагнитных волн.
Лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах, — волновым поверхностям
Волна переносит энергию.
Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии ∆W, переносимой волной за время ∆t через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время ∆t:


Фактически это мощность электромагнитного излучения (энергия в единицу времени), проходящего через единицу площади поверхности. Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

Интенсивность излучения

Выразим интенсивность I через плотность электромагнитной энергии и скорость с её распространения. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей с ∆t. Объём цилиндра ∆V = Sc∆t.Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объём: ∆W = ωc∆tS. Вся эта энергия за время ∆t пройдёт через правое основание цилиндра. Поэтому из формулы (6.1) получаем



Плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость её распространения.