Излучение электромагнитных волн, подвергаясь смене частоты колебания зарядов, меняет длину волны и приобретает различные свойства. Человек буквально окружен устройствами, которым присуще излучение и прием электромагнитных волн. Это сотовые телефоны, радио, телевещание, рентген-аппараты в медучреждениях и т.д. Даже тело человека обладает электромагнитным полем и, что очень интересно, каждый орган имеет свою частоту излучения. Распространяющиеся излучаемые заряженные частицы воздействуют друг на друга, провоцируя смену частоты колебания и выработку энергии, что может быть использовано как в созидательных, так и в разрушительных целях.

Электромагнитное излучение. Общая информация

Электромагнитное излучение представляет собой изменение состояния и интенсивности распространения электромагнитных колебаний, вызванных взаимодействием электрического и магнитного полей.

Глубоким изучением свойств характерных для электромагнитных излучений занимаются:

• электродинамика;
• оптика;
• радиофизика.

Излучение электромагнитных волн создается и распространяется благодаря колебанию зарядов, в процессе чего выделяется энергия. Они обладают характером распространения, подобным механическим волнам. Движению зарядов присуще ускорение – с течением времени их скорость меняется, что является основополагающим условием для излучения электромагнитных волн. Мощность волны напрямую связана с силой ускорения и прямо пропорциональна ей.

Показатели, определяющие характерные особенности электромагнитного излучения:

• частота колебания заряженных частиц;
• длина волны излучаемого потока;
• поляризация.

Электрическое поле, которое находится наиболее близко к заряду, подверженному колебаниям, претерпевает изменения. Промежуток времени, затраченный на эти изменения, будет равен промежутку времени колебаний заряда. Движение заряда можно сравнить с колебаниями тела, подвешенного на пружине, разница лишь в частоте перемещения.

К понятию «излучение» относятся электромагнитные поля, которые устремляются как можно дальше от источника возникновения и теряют свою интенсивность с увеличением расстояния, образуя волну.

Распространение электромагнитных волн

Труды Максвелла и открытые им законы электромагнетизма позволяют извлечь значительно больше информации, нежели могут представить факты, на основе которых проводится исследование. Например, одним из выводов на основе законов электромагнетизма выступает заключение, что электромагнитное взаимодействие имеет конечную скорость распространения.

Если следовать теории дальнодействия, то получаем, что сила, которая оказывает воздействие на электрический заряд, находящийся в неподвижном состоянии, изменяет свои показатели при смене местоположения соседнего заряда. Согласно этой теории заряд буквально «ощущает» сквозь вакуум присутствие себе подобного и мгновенно перенимает действие.

Сформировавшиеся понятия о близкодействии имеют совершенно другой взгляд на происходящее. Заряд, перемещаясь, обладает переменным электрическим полем, которое, в свою очередь, способствует возникновению переменного магнитного поля в близлежащем пространстве. После чего переменное магнитное поле провоцирует возникновение электрического и так цепочкой далее.

Таким образом происходит «возмущение» электромагнитного поля, вызванное сменой места заряда в пространстве. Оно распространяется и, как результат, воздействует на существующее поле, изменяя его. Добравшись до соседнего заряда, «возмущение» вносит изменения в показатели силы, действующей на него. Происходит это спустя некоторое время после смещения первого заряда.

Вопросом принципа распространения электромагнитных волн увлеченно занимался Максвелл. Затраченное время и силы в итоге увенчались успехом. Он доказал наличие конечной скорости этого процесса и привел тому математическое обоснование.

Реальность существования электромагнитного поля подтверждается наличием конечной скорости «возмущения» и соответствует показателям скорости света в пространстве, лишенном атомов (вакууме).

Шкала электромагнитных излучений

Вселенная наполнена электромагнитными полями с разным диапазоном излучения и кардинально различающейся длиной волны, которая может варьироваться от нескольких десятков километров до ничтожной доли сантиметра. Они позволяют получать информацию об объектах, находящихся на огромных расстояниях от Земли.

На основе утверждения Джеймса Максвелла о разности длины электромагнитных волн была разработана специальная шкала, которая содержит классификацию диапазонов существующих частот и длин излучений, образующих переменное магнитное поле в пространстве.

В своих наработках Г. Герц и П. Н. Лебедев экспериментально доказали верность утверждений Максвелла и обосновали тот факт, что излучение света – это волны электромагнитного поля, характеризующиеся небольшой длиной, которые образуются путем естественной вибрации атомов и молекул.

Между диапазонами не наблюдается резких переходов, но они также не имеют четких границ. Какой бы ни была частота излучения, все пункты шкалы описывают электромагнитные волны, которые появляются благодаря изменению положения заряженных частиц. На свойства зарядов оказывает влияние длина волны. При изменении ее показателей изменяется отражающая, проникающая способности, уровень видимости и т.д.

Характерные особенности электромагнитных волн дают им возможность свободно распространяться как в вакууме, так и в пространстве, заполненном веществом. Нужно отметить, что, перемещаясь в пространстве, излучение меняет свое поведение. В пустоте скорость распространения излучения не меняется, потому частота колебаний жестко взаимосвязана с длиной волны.

Электромагнитные волны разных диапазонов и их свойства

К электромагнитным волнам относятся:

• Инфракрасное излучение (еще называют «тепловое»). Согласно классификации шкалы электромагнитных излучений, область распространения инфракрасных излучений находится после радиоволн и перед видимым светом. Инфракрасные волны излучают все тела, испускающие тепло. Примерами источников таких излучений выступают печи, батареи, используемые для отопления, основанные на теплоотдаче воды, лампы накаливания. На сегодняшний день разработаны специальные устройства, которые позволяют увидеть в полной темноте предметы, от которых исходит тепло. Такими природными датчиками распознавания тепла в области глаз обладают змеи. Это позволяет им отслеживать добычу и охотиться ночью. Человек применяет инфракрасные излучения, например, для обогрева зданий, для сушки овощей, а также древесины, в области военного дела (например, приборы ночного видения или же тепловизоры), для беспроводного управления аудиоцентром или телевизором и другими устройствами с помощью пульта.
• Низкочастотные волны. Характеризуются частотой колебаний не более 100 КГц. Данный диапазон применяется для работы электрических устройств и двигателей, например, микрофона или громкоговорителя, телефонных сетей, а также в области радиовещания, киноиндустрии и др. Волны низкочастотного диапазона отличаются от тех, что обладают более высокой частотой колебаний, фактическим падением скорости распространения пропорционально квадратному корню их частоты. Весомый вклад в открытие и изучение низкочастотных волн сделали Лодж и Тесла.
• Радиоволны. Открытие Герцем радиоволн в 1886 г. подарило миру возможность передавать информацию, не используя провода. Длина радиоволны влияет на характер ее распространения. Они, подобно частотам звуковых волн, возникают благодаря переменному току (в процессе осуществления радиосвязи переменный ток протекает в приемник – антенну). Высокочастотная радиоволна способствует значительному испусканию радиоволн в окружающее пространство, что дает уникальную возможность передавать информацию на большие расстояния (радио, телевидение). Подобного рода сверхвысокочастотные излучения используются для осуществления связи в условиях космоса, а также в быту. Например, микроволновая СВЧ-печь, излучающая радиоволны, стала хорошей помощницей для хозяек.
• Видимый свет. Обладает световым спектром от красного до фиолетового и воспринимается глазом человека, что является главной отличительной чертой. Цвет, излучаемый разной длиной волны, оказывает электрохимическое воздействие на систему визуального восприятия человека, но не входит в раздел свойств электромагнитных волн данного диапазона.
• Ультрафиолетовое излучение. Не фиксируется глазом человека и обладает длиной волны по значению меньше, нежели у фиолетового света. В небольших дозировках лучи ультрафиолета вызывают лечебный эффект, способствуют выработке витамина Д, осуществляют бактерицидное воздействие и положительно влияют на центральную нервную систему. Преизбыточная насыщенность окружающей среды ультрафиолетовыми лучами приводит к повреждению кожных покровов и разрушению сетчатки глаза, потому офтальмологи рекомендуют использование солнечных очков в летние месяцы. Ультрафиолетовое излучение применяют в медицине (лучи ультрафиолета используются для кварцевых ламп), для проверки подлинности денежных купюр, в развлекательных целях на дискотеках (подобное освещение заставляет светиться светлые материалы), а также для определения годности продуктов питания.
• Рентгеновское излучение. Такие волны не заметны для человеческого глаза. Они обладают удивительным свойством проникать сквозь слои вещества, избегая сильного поглощения, что недоступно лучам видимого света. Излучение способствует возникновению свечения некоторых разновидностей кристаллов и оказывает воздействие на фотографическую пленку. Используется в области медицины для диагностирования заболеваний внутренних органов и для лечения определенного списка болезней, для проверки внутреннего устройства изделий на предмет наличия дефектов, а также сварных швов в технике.
• Гамма-излучение. Наиболее коротковолновое электромагнитное излучение, испускающее ядра атома. Уменьшения длины волны приводит к изменениям качественных показателей. Гамма-излучение имеет проникающую способность, во много раз превышающую рентгеновские лучи. Может проходить сквозь бетонную стену толщиной один метр и даже сквозь свинцовые преграды толщиной в несколько сантиметров. В ходе распада веществ или единения происходит выброс составных элементов атома, что получило название радиация. Такие волны относят к списку радиоактивных излучений. При взрыве ядерной боеголовки на короткое время образуется электромагнитное поле, которое является продуктом реакции между лучами гамма-спектра и нейтронами. Оно же выступает основным элементом ядерного оружия, оказывающим поражающее воздействие, полностью блокирует или нарушает работу радиоэлектроники, проводной связи и систем, обеспечивающих электроснабжение. Также при взрыве ядерного оружия высвобождается много энергии.

Выводы

Волны электромагнитного поля, обладая определенной длиной и находясь в определенном диапазоне колебания, могут оказывать как положительные влияние на организм человека и его уровень адаптации к окружающей среде, благодаря разработке вспомогательных электрических приборов, так и отрицательное, и даже разрушающее воздействие на здоровье и среду обитания человека.

Многие закономерности волновых процессов имеют универсальный характер и в равной мере справедливы для волн различной природы: механических волн в упругой среде, волн на поверхности воды, в натянутой струне и т. д. Не являются исключением и электромагнитные волны, представляющие собой процесс распространения колебаний электромагнитного поля. Но в отличие от других видов волн, распространение которых происходит в какой-то материальной среде, электромагнитные волны могут распространяться в пустоте: никакой материальной среды для распространения электрического и магнитного полей не требуется. Однако электромагнитные волны могут существовать не только в вакууме, но и в веществе.

Предсказание электромагнитных волн. Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом в результате анализа предложенной им системы уравнений, описывающих электромагнитное поле. Максвелл показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников - зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью см/с, в которых векторы электрического и магнитного полей в каждый момент времени в каждой точке пространства перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волн.

Экспериментально электромагнитные волны были открыты и изучены Герцем только спустя 10 лет после смерти Максвелла.

Открытый вибратор. Чтобы понять, каким образом можно получить электромагнитные волны на опыте, рассмотрим «открытый» колебательный контур, у которого обкладки конденсатора раздвинуты (рис. 176) и поэтому электрическое поле занимает большую область пространства. При увеличении расстояния между обкладками емкость С конденсатора убывает и в соответствии с формулой Томсона возрастает частота собственных колебаний. Если еще и катушку индуктивности заменить отрезком провода, то уменьшится индуктивность а частота собственных колебаний возрастет еще больше. При этом не только электрическое, но и магнитное поле, которое раньше было заключено внутри катушки, теперь займет большую область пространства, охватывающую этот провод.

Увеличение частоты колебаний в контуре, как и увеличение его линейных размеров, приводит к тому, что период собственных

колебаний становится сравнимым со временем распространения электромагнитного поля вдоль всего контура. Это означает, что процессы собственных электромагнитных колебаний в таком открытом контуре уже нельзя считать квазистационарными.

Рис. 176. Переход от колебательного контура к открытому вибратору

Сила тока в разных его местах в один и тот же момент времени разная: на концах контура она всегда равна нулю, а в середине (там, где прежде была катушка) она осциллирует с максимальной амплитудой.

В предельном случае, когда колебательный контур превратился просто в отрезок прямого провода, распределение силы тока вдоль контура в некоторый момент времени показано на рис. 177а. В тот момент, когда сила тока в таком вибраторе максимальна, охватывающее его магнитное поле также достигает максимума, а электрическое поле вблизи вибратора отсутствует. Через четверть периода обращается в нуль сила тока, а вместе с ней и магнитное поле вблизи вибратора; электрические заряды сосредоточиваются вблизи концов вибратора, а их распределение имеет вид, показанный на рис. 1776. Электрическое поле вблизи вибратора в этот момент максимально.

Рис. 177. Распределение вдоль открытого вибратора силы тока в момент, когда она максимальна (а), и распределение зарядов спустя четверть периода (б)

Эти колебания заряда и тока, т. е. электромагнитные колебания в открытом вибраторе, вполне аналогичны механическим колебаниям, которые могут происходить в пружине осциллятора, если убрать присоединенное к ней массивное тело. В этом случае придется учитывать массу отдельных частей пружины и рассматривать ее как распределенную систему, у которой каждый элемент обладает как упругими, так и инертными свойствами. В случае открытого электромагнитного вибратора каждый его элемент также одновременно обладает и индуктивностью, и емкостью.

Электрическое и магнитное поля вибратора. Неквазистационарный характер колебаний в открытом вибраторе приводит к тому, что создаваемые отдельными его участками поля на некотором расстоянии от вибратора уже не компенсируют друг друга, как это имеет место для «закрытого» колебательного контура с сосредоточенными параметрами, где колебания квазистационарны, электрическое поле целиком сосредоточено внутри конденсатора, а магнитное - внутри катушки. Из-за такого пространственного разделения электрического и магнитного полей они непосредственно не связаны друг с другом: их взаимное превращение обусловлено только током - переносом заряда по контуру.

У открытого вибратора, где электрическое и магнитное поля перекрываются в пространстве, происходит их взаимное влияние: изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. В результате оказывается возможным существование таких «самоподдерживающихся» и распространяющихся в свободном пространстве полей на большом расстоянии от вибратора. Это и есть излучаемые вибратором электромагнитные волны.

Опыты Герца. Вибратор, с помощью которого Г. Герцем в 1888 г. впервые были экспериментально получены электромагнитные волны, представлял собой прямолинейный проводник с небольшим воздушным промежутком посредине (рис. 178а). Благодаря такому промежутку можно было сообщить двум половинам вибратора значительные заряды. Когда разность потенциалов достигала определенного предельного значения, в воздушном зазоре возникал пробой (проскакивала искра) и электрические заряды через ионизированный воздух могли перетекать с одной половины вибратора на другую. Б открытом контуре возникали электромагнитные колебания. Чтобы быстропеременные токи существовали только в вибраторе и не замыкались через источник питания, между вибратором и источником включались дроссели (см. рис. 178а).

Рис. 178. Вибратор Герца

Высокочастотные колебания в вибраторе существуют, пока искра замыкает промежуток между его половинами. Затухание таких колебаний в вибраторе происходит в основном не за счет джоулевых потерь на сопротивлении (как в закрытом колебательном контуре), а за счет излучения электромагнитных волн.

Для обнаружения электромагнитных волн Герц применял второй (приемный) вибратор (рис. 1786). Под действием переменного электрического поля приходящей от излучателя волны электроны в приемном вибраторе совершают вынужденные колебания, т. е. в вибраторе возбуждается быстропеременный ток. Если размеры приемного вибратора такие же, как и у излучающего, то частоты собственных электромагнитных колебаний в них совпадают и вынужденные колебания в приемном вибраторе достигают заметной величины вследствие резонанса. Эти колебания Герц обнаруживал по проскакиванию искры в микроскопическом зазоре в середине приемного вибратора или по свечению миниатюрной газоразрядной трубки Г, включенной между половинами вибратора.

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. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Совпадение скорости электромагнитных волн с измеренной задолго до их открытия скоростью света послужило отправным пунктом для отождествления света с электромагнитными волнами и создания электромагнитной теории света.

Электромагнитная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле волны не связано с источником. Этим электромагнитная волна отличается от статических электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника.

Механизм излучения электромагнитных волн. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Понять, каким образом поперечное электрическое поле волны возникает из радиального кулоновского поля точечного заряда, можно с помощью следующего простого рассуждения, предложенного Дж. Томсоном.

Рис. 179. Поле неподвижного точечного заряда

Рассмотрим электрическое поле, создаваемое точечным зарядом Если заряд покоится, то его электростатическое поле изображается радиальными силовыми линиями, выходящими из заряда (рис. 179). Пусть в момент времени заряд под действием какой-то внешней силы начинает двигаться с ускорением а, а спустя некоторое время действие этой силы прекращается, так что дальше заряд движется равномерно со скоростью График скорости движения заряда показан на рис. 180.

Представим себе картину линий электрического поля, создаваемого этим зарядом, спустя большой промежуток времени Поскольку электрическое поле распространяется со скоростью света с,

то до точек, лежащих за пределами сферы радиуса изменение электрического поля, вызванное движением заряда, дойти не могло: за пределами этой сферы поле такое же, каким оно было при неподвижном заряде (рис. 181). Напряженность этого поля (в гауссовой системе единиц) равна

Все изменение электрического поля, вызванное ускоренным движением заряда в течение времени в момент времени находится внутри тонкого шарового слоя толщины наружный радиус которого равен а внутренний - Это показано на рис. 181. Внутри сферы радиуса электрическое поле - это поле равномерно движущегося заряда.

Рис. 180. График скорости заряда

Рис. 181. Линии напряженности электрического поля заряда, движущегося согласно графику на рис. 180

Рис. 182. К выводу формулы для напряженности поля излучения ускоренно движущегося заряда

Если скорость заряда много меньше скорости света с, то это поле в момент времени совпадает с полем неподвижного точечного заряда находящегося на расстоянии от начала (рис. 181): поле медленно движущегося с постоянной скоростью заряда перемещается вместе с ним, а пройденное зарядом за время расстояние, как видно из рис. 180, можно считать равным если г»т.

Картину электрического поля внутри шарового слоя легко найти, учитывая непрерывность силовых линий. Для этого нужно соединить соответствующие радиальные силовые линии (рис. 181). Вызванный ускоренным движением заряда излом силовых линий «убегает» от заряда со скоростью с. Излом на силовых линиях между

сферами это и есть интересующее нас поле излучения, распространяющееся со скоростью с.

Чтобы найти поле излучения, рассмотрим одну из линий напряженности, составляющую некоторый угол с направлением движения заряда (рис. 182). Разложим вектор напряженности электрического поля в изломе Е на две составляющие: радиальную и поперечную Радиальная составляющая - это напряженность электростатического поля, создаваемого зарядом на расстоянии от него:

Поперечная составляющая - это напряженность электрического поля в волне, излученной зарядом при ускоренном движении. Так как эта волна бежит по радиусу, то вектор перпендикулярен направлению распространения волны. Из рис. 182 видно, что

Подставляя сюда из (2), находим

Учитывая, что а отношение есть ускорение а, с которым двигался заряд в течение промежутка времени от 0 до перепишем это выражение в виде

Прежде всего обратим внимание на то, что напряженность электрического поля волны убывает обратно пропорционально расстоянию от центра, в отличие от напряженности электростатического поля которая пропорциональна Такой зависимости от расстояния и следовало ожидать, если принять во внимание закон сохранения энергии. Так как при распространении волны в пустоте поглощения энергии не происходит, то количество энергии, прошедшее через сферу любого радиуса, одинаково. Поскольку площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, то поток энергии через единицу ее поверхности должен быть обратно пропорционален квадрату радиуса. Учитывая, что плотность энергии электрического поля волны равна приходим к выводу, что

Далее отметим, что напряженность поля волны в формуле (4) в момент времени зависит от ускорения заряда а в момент времени волна, излученная в момент достигает точки, находящейся на расстоянии спустя время, равное

Излучение осциллирующего заряда. Предположим теперь, что заряд все время движется вдоль прямой с некоторым переменным ускорением вблизи начала координат, например совершает гармонические колебания. Тоща он будет излучать электромагнитные волны непрерывно. Напряженность электрического поля волны в точке, находящейся на расстоянии от начала координат, по-прежнему определяется формулой (4), причем поле в момент времени зависит от ускорения заряда а в более ранний момент

Пусть движение заряда представляет собой гармоническое колебание вблизи начала координат с некоторой амплитудой А и частотой со:

Ускорение заряда при таком движении дается выражением

Подставляя ускорение заряда в формулу (5), получаем

Изменение электрического поля в любой точке при прохождении такой волны представляет собой гармоническое колебание с частотой , т. е. осциллирующий заряд излучает монохроматическую волну. Разумеется, формула (8) справедлива на расстояниях больших по сравнению с амплитудой колебаний заряда А.

Энергия электромагнитной волны. Плотность энергии электрического поля монохроматической волны, излучаемой зарядом, можно найти с помощью формулы (8):

Плотность энергии пропорциональна квадрату амплитуды колебаний заряда и четвертой степени частоты.

Любое колебание связано с периодическими переходами энергии из одного вида в другой и обратно. Например, колебания механического осциллятора сопровождаются взаимными превращениями кинетической энергии и потенциальной энергии упругой деформации. При изучении электромагнитных колебаний в контуре мы видели, что аналогом потенциальной энергии механического осциллятора является энергия электрического поля в конденсаторе, а аналогом кинетической энергии - энергия магнитного поля катушки. Эта аналогия справедлива не только для локализованных колебаний, но и для волновых процессов.

В монохроматической волне, бегущей в упругой среде, плотности кинетической и потенциальной энергий в каждой точке совершают гармоническое колебание с удвоенной частотой, причем так, что их значения совпадают в любой момент времени. Так же и в бегущей монохроматической электромагнитной волне: плотности энергии электрического и магнитного полей, совершая гармоническое колебание с частотой равны друг другу в каждой точке в любой момент времени.

Плотность энергии магнитного поля выражается через индукцию В следующим образом:

Приравнивая плотности энергии электрического и магнитного полей в бегущей электромагнитной волне, убеждаемся, что индукция магнитного поля в такой волне зависит от координат и времени точно так же, как напряженность электрического поля. Другими словами, в бегущей волне индукция магнитного поля и напряженность электрического поля равны друг другу в любой точке в любой момент времени (в гауссовой системе единиц):

Поток энергии электромагнитной волны. Полная плотность энергии электромагнитного поля в бегущей волне вдвое больше плотности энергии электрического поля (9). Плотность потока энергии у, переносимой волной, равна произведению плотности энергии на скорость распространения волны . С помощью формулы (9) можно увидеть, что поток энергии через любую поверхность осциллирует с частотой Для нахождения среднего значения плотности потока энергии необходимо усреднить по времени выражение (9). Так как среднее значение равно 1/2, то для получаем

Рис. 183. Угловое распределение энергии» излучаемой осциллирующим зарядом

Плотность потока энергии в волне зависит от направления: в том направлении, по которому происходят колебания заряда, энергия вовсе не излучается Наибольшее количество энергии излучается в плоскости, перпендикулярной этому направлению Угловое распределение излучаемой осциллирующим зарядом энергии показано на рис. 183. Заряд совершает колебания вдоль оси Из начала координат проводятся отрезки, длина которых пропорциональна излучаемой в данном

направлении энергии, т. е. На диаграмме показана линия, соединяющая концы этих отрезков.

Распределение энергии по направлениям в пространстве характеризуется поверхностью, которая получается вращением диаграммы вокруг оси

Поляризация электромагнитных волн. Волна, порождаемая вибратором при гармонических колебаниях, называется монохроматической. Монохроматическая волна характеризуется определенной частотой со и длиной волны X. Длина волны и частота связаны через скорость распространения волны с:

Электромагнитная волна в вакууме является поперечной: вектор напряженности электромагнитного поля волны, как это видно из приведенных выше рассуждений, перпендикулярен направлению распространения волны. Проведем через точку наблюдения Р на рис. 184 сферу с центром в начале координат, около которого вдоль оси совершает колебания излучающий заряд. Проведем на ней параллели и меридианы. Тогда вектор Е поля волны будет направлен по касательной к меридиану, а вектор В перпендикулярен вектору Е и направлен по касательной к параллели.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим подробнее взаимосвязь электрического и магнитного полей в бегущей волне. Эти поля после излучения волны уже не связаны с источником. При изменении электрического поля волны возникает магнитное поле, силовые линии которого, как мы видели при изучении тока смещения, перпендикулярны силовым линиям электрического поля. Это переменное магнитное поле, изменяясь, в свою очередь приводит к появлению вихревого электрического поля, которое перпендикулярно породившему его магнитному полю. Таким образом, при распространении волны электрическое и магнитное поля поддерживают друг друга, оставаясь все время взаимно перпендикулярными. Так как в бегущей волне изменение электрического и магнитного полей происходит в фазе друг с другом, то мгновенный «портрет» волны (векторы Е и В в разных точках линии вдоль направления распространения) имеет вид, показанный на рис. 185. Такая волна называется линейно поляризованной. Совершающий гармоническое колебание заряд излучает по всем направлениям линейно поляризованные волны. В бегущей по любому направлению линейно поляризованной волне вектор Е все время находится в одной плоскости.

Так как в линейном электромагнитном вибраторе заряды совершают именно такое осциллирующее движение, то излучаемая вибратором электромагнитная волна поляризована линейно. В этом легко убедиться на опыте, изменяя ориентацию приемного вибратора относительно излучающего.

Рис. 185. Электрическое и магнитное поля в бегущей линейно поляризованной волне

Сигнал имеет наибольшую величину, когда приемный вибратор параллелен излучающему (см. рис. 178). Если приемный вибратор повернуть перпендикулярно излучающему, то сигнал пропадает. Электрические колебания в приемном вибраторе могут появиться только благодаря составляющей электрического поля волны, направленной вдоль вибратора. Поэтому такой опыт свидетельствует о том, что электрическое поле в волне параллельно излучающему вибратору.

Возможны и другие виды поляризации поперечных электромагнитных волн. Если, например, вектор Е в некоторой точке при прохождении волны равномерно вращается вокруг направления распространения, оставаясь неизменным по модулю, то волна называется циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу. Мгновенный «портрет» электрического поля такой электромагнитной волны показан на рис. 186.

Рис. 186. Электрическое поле в бегущей циркулярно поляризованной волне

Волну круговой поляризации можно получить при сложении двух распространяющихся в одном направлении линейно поляризованных волн одинаковой частоты и амплитуды, векторы электрического поля в которых взаимно перпендикулярны. В каждой из волн вектор электрического поля в каждой точке совершает гармоническое колебание. Чтобы при сложении таких взаимно перпендикулярных колебаний получилось вращение результирующего вектора, необходим сдвиг фаз на Другими словами, складываемые линейно поляризованные волны должны быть сдвинуты на четверть длины волны одна относительно другой.

Импульс волны и давление света. Наряду с энергией электромагнитная волна обладает и импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает. Отсюда следует, что при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Объяснить происхождение давления волны и найти величину этого давления можно следующим образом.

Выбрана по направлению распространения волны, ось х - вдоль направления колебаний вектора Е. Будем считать, что движение заряда в поглощающей волну преграде вызвано электрическим полем волны и поэтому векторы Е и

Будем считать, что вся энергия падающей волны поглощается преградой. Так как на единицу площади поверхности преграды в единицу времени волна приносит энергию то оказываемое волной при нормальном падении давление равно плотности энергии волны Сила давления поглощаемой электромагнитной волны сообщает преграде в единицу времени импульс, равный согласно формуле (15) поглощенной энергии, деленной на скорость света с. А это означает, что поглощенная электромагнитная волна обладала импульсом, который равен энергии, деленной на скорость света.

Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым в 1900 г. в исключительно тонких опытах.

Чем отличаются квазистационарные электромагнитные колебания в закрытом колебательном контуре от высокочастотных колебаний в открытом вибраторе? Приведите механическую аналогию.

Поясните, почему при электромагнитных квазистационарных колебаниях в закрытом контуре не происходит излучение электромагнитных волн. Почему излучение происходит при электромагнитных колебаниях в открытом вибраторе?

Опишите и объясните опыты Герца по возбуждению и обнаружению электромагнитных волн. Какую роль играет искровой промежуток в передающем и приемном вибраторах?

Поясните, каким образом при ускоренном движении электрического заряда продольное электростатическое поле превращается в поперечное электрическое поле излучаемой им электромагнитной волны.

Исходя из энергетических соображений, покажите, что напряженность электрического поля сферической волны, излучаемой вибратором, убывает как 1 1г (в отличие от для электростатического поля).

Что такое монохроматическая электромагнитная волна? Что такое длина волны? Как она связана с частотой? В чем заключается свойство поперечности электромагнитных волн?

Что называется поляризацией электромагнитной волны? Какие виды поляризации вам известны?

Какие доводы вы можете привести для обоснования того, что электромагнитная волна обладает импульсом?

Объясните роль силы Лоренца в возникновении силы давления электромагнитной волны на преграду.

Электромагнитными волнами называется процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля . Теоретически существование электромагнитных волн предсказано английским ученым Максвеллом в 1865 г., а впервые они экспериментально получены немецким ученым Герцем в 1888 г.

Из теории Максвелла вытекают формулы, описывающие колебания векторов и. Плоская монохроматическая электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси x , описывается уравнениями

Здесь E и H - мгновенные значения, а E m и H m - амплитудные значения напряженности электрического и магнитного полей, ω - круговая частота, k - волновое число. Векторы и колеблются с одинаковой частотой и фазой, взаимно перпендикулярны и, кроме того, перпендикулярны вектору - скорости распространения волны (рис. 3.7). Т. е. электромагнитные волны поперечны.

В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью. В среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью µ скорость распространения электромагнитной волны равна:

Частота электромагнитных колебаний, так же, как и длина волны, могут быть в принципе любыми. Классификация волн по частоте (или длине волны) называется шкалой электромагнитных волн. Электромагнитные волны делятся на несколько видов.

Радиоволны имеют длину волны от 10 3 до 10 -4 м.

Световые волны включают:

Рентгеновское излучение - .

Световые волны - это электромагнитные волны, которые включают в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра. Длины световых волн в вакууме, соответствующие основным цветам видимого спектра, указаны в нижеприведенной таблице. Длина волны дана в нанометрах.

Таблица

Для световых волн характерны те же свойства, что и для электромагнитных волн.

1. Световые волны поперечны.

2. В световой волне колеблются вектора и.

Опыт показывает, что все виды воздействий (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызываются колебаниями электрического вектора . Его называют световым вектором .

Амплитуду светового вектора E m часто обозначают буквой A и вместо уравнения (3.30) используют уравнение (3.24).

3. Скорость света в вакууме.

Скорость световой волны в среде определяется по формуле (3.29). Но для прозрачных сред (стекло, вода) обычно.

Для световых волн вводится понятие - абсолютный показатель преломления.

Абсолютным показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

Из (3.29), с учетом того, что для прозрачных сред , можно записать равенство.

Для вакуума ε = 1 и n = 1. Для любой физической среды n > 1. Например, для воды n = 1,33, для стекла . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Отношение абсолютных показателей преломления называется относительным показателем преломления:

4. Частота световых волн очень велика. Например, для красного света с длиной волны.

При переходе света из одной среды в другую частота света не изменяется, но изменяется скорость и длина волны.

Для вакуума - ; для среды - , тогда

Отсюда длина волны света в среде равна отношению длины волны света в вакууме к показателю преломления

5. Поскольку частота световых волн очень велика , то глаз наблюдателя не различает отдельных колебаний, а воспринимает усредненные потоки энергии. Таким образом вводится понятие интенсивности.

Интенсивностью называется отношение средней энергии, переносимой волной, к промежутку времени и к площади площадки, перпендикулярной направлению распространения волны:

Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды (см. формулу (3.25)), то интенсивность пропорциональна среднему значению квадрата амплитуды

Характеристикой интенсивности света, учитывающей его способность вызывать зрительные ощущения, является световой поток - Ф .

6. Волновая природа света проявляется, например, в таких явлениях, как интерференция и дифракция.

Квинтэссенции рефератов для подготовки к экзамену по ФОЗИ.

Выполнил студент группы ЗИ-22 Сахау Азат.

7) Электромагнитные волны.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом. Экспериментально электромагнитные волны были открыты и изучены Герцем.

Основными свойствами электромагнитных волн являются:

поглощение ;

рассеяние ;

преломление ;

отражение ;

интерференция ;

дифракция ;

поляризация ;

Электромагнитные волны и их характеристика.

Электромагнитная волна представляет собой процесс распространения в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей.

Существование электромагнитных волн было предсказано английским физиком Майклом Фарадеем. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции - возбуждение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Он является основоложником учения об электромагнитных явлениях, в котором электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью многочисленных опытов Фарадей доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависит от способа их получения.

Взаимопревращения электрического и магнитного полей

 Согласно теории Максвелла, в каждой точке пространства изменение электрического поля создает переменное вихревое магнитное поле, вектора В магнитной индукции которого лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору Е напряженности электрического поля. Механическое уравнение, выражающее эту закономерность, называется первым уравнением Максвелла. Изменение во времени индукции магнитного поля создает переменное вихревое электрическое поле, векторы Е напряженности которого лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору В. Математическое уравнение, описывающее эту закономерность, называется вторым уравнением Максвелла. Из уравнения Максвелла следует, что возникшее в какой-либо точке изменение во времени магнитного (или электрического) поля будет перемещаться от одноц точки к другой, при этом будут происходить взаимные превращения этих полей, т.е. будет происходить распространение электромагнитных взаимодействий в пространстве.

В 1865 году Дж. Максвелл теоретически доказал, что электромагнитные колебания распространяются в вакууме с конечной скоростью, равной скорости света: с = 3 * 10^8 м/с.

В 1888 году электромагнитные волны были впервые экспериментально обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894), что сыграло решающую роль для утверждения максвелловской теории электромагнитных волн.

Таким образом, электромагнитные волны - это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.

Длина электромагнитной волны - расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.

где - длина волны; с - скорость света в вакууме; Т - период колебаний; v - частота колебаний. Скорость света в вакууме с= 3 * 10^8 м/с.

При распространении электромагнитных волн в какой-либо другой среде скорость волны изменяется и длина волны , где u - скорость волны в среде. В атмосфере скорость практически можно принять равной скорости света в вакууме.

Скорость u электромагнитной волны в среде определяется из формулы Максвелла:

где е - относительная диэлектрическая проницаемость среды, - относительная магнитная проницаемость среды.

Скорость распространения электромагнитных волн в данной среде совпадает со скоростью света в этой среде, что является одним из обоснований электромагнитной природы света.

Основная характеристика электромагнитных волн - это частота их колебаний v (или период Т). Длина волны л меняется при переходе из одной среды в другую, в то время как частота остается неизменной. Электромагнитные волны являются поперечными волнами.

Распространение электромагнитных волн связано с переносом энергии электромагнитного поля волны, которая переносится в направлении распространения волны, т.е. в направлении вектора v. Наряду с энергией электромагнитная волна обладает импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает.

 Отсюда следует, что при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду.

Плотностью потока электромагнитного излучения I (интенсивностью электромагнитной волны) называют отношение электромагнитной энергии W, проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время t:

где W - электромагнитная энергия, прошедшая за время t через поверхность площадью S.

Единицей измерения интенсивности электромагнитного излучения I является ватт на м [вт/м ].

Плотность потока излучения (интенсивность электромагнитной волны) равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость её распространения:

где - магнитная постоянная в СИ.

Интенсивность электромагнитной волны пропорциональна среднему значению произведения модулей векторов Е и В электромагнитного поля, т.е. пропорциональны квадрату напряженности Е:

Понятие электромагнитного поля

Впервые понятие поля было предложено Фарадеем и базировалось оно на следующих утверждениях:

• заряд окружен электростатическим полем;
• движущийся заряд окружен магнитным полем;
• переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле .

Согласно гипотезе Максвелла, при изменении электрического поля создается вихревое магнитное поле. На этой гипотезе строится идея единого электромагнитного поля.

Определение 1

Электромагнитное поле является фундаментальным понятием физики. Оно представляет собой особую форму существования материи, совокупность электрического и магнитного полей, взаимодействующих с электрически заряженными частицами и телами.

Проявление электромагнитного поля можно проследить в его воздействии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряженные частицы. Скорость его распространения велика, но всегда конечна.

Поведение электромагнитного поля наиболее точно описывается системой уравнений Максвелла. Запишем систему из четырех уравнений в системе СИ:

$\div \vec{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0}$;

$rot \vec{E} = -\frac{\partial vec{B}}{\partial t}$;

$\div \vec{B} = 0$;

$rot \vec{B} = (\frac{j}{ \varepsilon_0 c^2}) + (\frac {1}{c^2}) (\frac{\partial B}{\partial t})$, где:

• $\div$ - дифференциальный оператор, определяющий поток поля через определенную поверхность;
• $\vec{E}$ - векторное электрическое поле;
• $\rho$ - суммарный заряд, ограниченный замкнутой поверхностью;
• $rot \vec{E}$ - ротор (интеграл через замкнутую поверхность) электрического поля;
• $B$ - магнитная индукция;
• $j$ - плотность электрического тока.

Суть этих четырех уравнений можно свести к следующим утверждениям:

• электрическое поле создается электрическим зарядом;
• вихревое электрическое поле создается изменяющимся магнитным полем;
• поток магнитного поля через замкнутую поверхность равен нулю, т. е. магнитных зарядов не существует;
• электрический ток и смещение электрического поля создают вихревое электрическое.

Понятие электромагнитной волны

Любое изменение состояния электромагнитного поля (возмущение поля) имеет волновой характер. При ускоренном движении заряда в поле осуществляется излучение электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве с некоторой конечной скоростью. Так, например, в вакууме электромагнитные волны излучаются со скоростью света, т.е. примерно 300 км/сек.

Волны расходятся от источника возмущения. В случае с электромагнитными волнами источниками возмущения следует принимать передвигающиеся магнитные и электрические поля.

Главный источник электромагнитных волн на Земле – Солнце. Часть испускаемых Солнцем электромагнитных волн улавливается человеческим глазом (как следствие – ощущение цвета). Особенно стоит отметить радиоволны – волны, длина которых превышает 500 мкм, а частота составляет менее $6 10^{12}$ Гц.

В целом, длина радиоволны определяется по формуле:

$\lambda = \frac{300}{f}$, где:

• $\lambda$ - длина волны, м
• $f$ - частота волны.

Понятие колебания и его характеристики

В общем смысле, колебание – это процесс или движение, характеризующийся определенной повторяемостью во времени. В зависимости от природы колебаний, их объединяют в две основные группы – механические и электромагнитные. К изучению и тех и других применяют единый подход, поскольку их характеристики сходны по многим параметрам.

Итак, значительную группу процессов относят к свободным или собственным колебаниям. Собственные колебания совершаются под действием единожды сообщенной энергии без последующего воздействия внешних сил на колебательную систему в целом.

Отдельно стоит выделить гармонические колебания. При гармоническом колебательном процессе рассматриваемая величина изменяется во времени согласно закону синуса (косинуса). Многие явления, встречаемые в природе и технике, близки по своим характеристикам гармоническим колебаниям. Многие периодические процессы можно представить как наложение гармонических колебаний.

Приведем уравнение, описывающее гармоническое колебание величины $s$:

$s = A\cos{\omega_0 t + \varpi}$, где:

• $\omega_0$ - циклическая частота;
• $A$ - амплитуда колебания (максимальное значение величины $s$).

Здесь периодически меняющийся аргумент косинуса $(\omega_0 t + \varpi)$ будет называться фазой колебания. Фаза колебания характеризует отклонение величины $s$ от точки равновесия в момент времени $t$.

Определение 2

Значение $\varpi$ в уравнении называется начальной фазой. Начальная фаза характеризует отклонение колеблющейся величины от точки равновесия в начальный момент времени. Таким образом, значение $\varpi$ зависит от выбора начала отсчета времени.

Косинус меняется в пределах от -1 до 1, следовательно, величина $s$ может принимать значение от $-A$ до $A$.

Колебательная система возвращается в начальное состояние через промежуток времени $T$, названный периодом колебания. За один $T$ система получает приращение в $2\pi$:

$\omega_0 (t+T) = (\omega_0 t + \varpi) +2\pi$

Путем преобразования получаем: $T = \frac{2\pi}{\omega_0}$.

Введем понятие частоты колебаний. Так, частота колебаний есть величина, обратная периоду колебаний:

$\nu = \frac{1}{T}$

Численно она равна количеству полных колебаний, совершенных за единицу времени. Стандартная единица частоты – герц (Гц). Один Гц – частота колебания, при котором за 1 секунду совершается 1 колебательный цикл.

Запишем дифференциальное уравнение для гармонических колебаний:

$\frac{d^2 s}{dt^2} + (\omega_0)^2 s = 0$

Решением этого уравнения является уже приведенное выражение:

$s = A\cos{\omega_0 t + \varpi}$