Объясните как распространяется в пространстве гармоническое возмущение электромагнитного поля

Ответы на вопросы «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 48. Распространение электромагнитных волн»

Возмущения 3, 4 и 5 находятся соОтветственно на расстояниях ν(τ — T/2); ν(τ — 3T/4) и ν(τ — T). Расстояние 1-5 равно νT и оно характеризует длину электромагнитной волны.

2. Какое расстояние называется длиной волны? Как длина волны зависит от скорости распространения волны?

3. Напишите уравнение бегущей гармонической волны напряженности электрического поля и индукции магнитного поля Объясните содержание рисунка 157

На рисунке 157 а) изображена напряженность электрического поля и индукция магнитного поля излучающего гармонического вибратора в плоскости вибратора. Линии напряженности расположены в плоскости XY, линии индукции окружают переменный ток и расположены в перпендикулярной чертежу плоскости. В момент времени 7T/4 показана длина волны излучения.

На рисунке 157 б) изображена напряженность электрического поля и индукция магнитного поля излучающего гармонического вибратора в пространстве (вблизи оси Х). Колебания вектора Е происходят в плоскости XY.

4. Какое физическое явление называют поляризацией? Что такое плоскость поляризации и плоскополяризованная волна?

Плоско поляризованная волна — волна, в которой вектор

колеблется только в одном направлении, которое перпендикулярно направлению распространения волны.

Плоскость поляризации электромагнитной волны — это плоскость, которая проходит через направление распространения волны и направление колебаний вектора напряженности электрического поля.

5. Какую поверхность называют фронтом волны? Что такое луч, что он характеризует?

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №51
к главе «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 48. Распространение электромагнитных волн».

Как происходит распространение электромагнитных волн?

Любая механическая волна требует существования упругой среды, в которой она распространяется. Волна даже определяется как перемещающаяся деформация среды.

Акустическая волна, представляющая собой перемещающееся сгущение и разрежение молекул среды (воздуха, жидкости или твердого тела), не может распространяться в вакууме. Именно поэтому в космосе не слышно ни одного звука, даже взрыва сверхновой. В космосе царит тишина.

А как насчет света? Конечно, свет распространяется в вакууме. Он достигает нас из очень далеких галактик. Однако из космоса до нас доходит не только свет, но и другие виды электромагнитных волн (радиоволны, инфракрасные, рентгеновские, гамма-лучи и т.д.). Сегодня мы знаем, что электромагнитная волна не требует никакой среды для своего распространения. Механизм его распространения не зависит от деформации упругой среды.

В стеклянной банке находится электрический звонок (см. рисунок 1). По мере выкачивания воздуха из банки звучание становится все тише, пока не становится совсем неслышным, что является экспериментальным доказательством того, что звуковая волна нуждается в среде. Свет, с другой стороны, распространяется как в воздухе, так и в вакууме — изображение звонка не исчезает, когда мы откачиваем воздух.

Рис. 1. В стеклянной колбе находится электрический звонок

Ошибочная теория (гипотеза) эфира

Однако сам создатель концепции электромагнитных волн не представлял себе волны без среды и создал гипотетическую среду — эфир. О недостатках этой гипотезы и о том, как электромагнитная волна «справляется» без среды, вы можете прочитать в этой статье.

Иногда вы можете услышать, как радиожурналист говорит: «программа ушла в эфир» или «в эфир». Это полный анахронизм и, что еще хуже, это неправда. Не существует такого понятия, как эфир, который является средой, в которой должна распространяться электромагнитная волна. Этот эфир должен обладать невероятными свойствами.

Ну, скорость электромагнитной волны огромна, = 300 000 км/с. В механике доказано, что чем больше скорость волны, тем более упругой (жесткой) является среда и тем легче эта среда. Таким образом, эфир должен быть в тысячи раз эластичнее самой лучшей стали, но в то же время иметь чрезвычайно низкую плотность.

Далее: в упругой среде, в которой распространяются поперечные волны, могут распространяться и продольные волны (обычно с разными скоростями), т.е. акустические волны. Однако эфир должен быть таким, чтобы в нем не могли распространяться продольные волны. Более того, этот эфир должен был бы заполнить всю Вселенную. В частности — область Солнечной системы. Мы не замечаем, что эфир (невероятно жесткий материал) препятствовал бы движению Земли и других планет.

Настоящим гвоздем в крышку гроба для гипотезы эфира стала специальная теория относительности Эйнштейна (1905). И эксперимент Майкельсона-Морли (1887), который был проведен независимо от него и дал отрицательный результат: не был обнаружен «эфирный ветер», который, если бы эфир существовал и заполнял пространство космоса, дул бы на Землю из-за движения Земли вокруг Солнца.

Это привело бы к различиям в скорости света, измеренной в разных направлениях. Никаких различий в скорости света не было обнаружено (при измерениях, проведенных с большой точностью) в пределах погрешности измерений 5 км/с. Следовательно, эфирный ветер не был обнаружен. Ученым пришлось смириться с этим — эфира просто не существует. Давайте перейдем к более важным вопросам.

Механизм распространения электромагнитных волн

Электромагнитная волна — это распространяющееся возмущение электромагнитного поля.

Но как это представить? Возможно, здесь поможет рисунок 2, на котором показаны линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда, который в какой-то момент был перемещен в новое положение.

Рис. 2. Линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда

Здесь мы видим «старые» линии поля, которые начинаются в исходном положении электрического заряда. Эту позицию можно найти по продолжению линий, выходящих за пределы рисунка. Вы увидите, что электрический заряд был немного «приподнят» от своего нынешнего положения. Линии поля, которые вы видите возле электрического заряда, — это новое электростатическое поле. В результате движения электрического заряда вниз существующее поле было нарушено. Мы можем видеть это в виде преломленных линий поля. Преломленные линии — возмущение поля распространяется через пространство со скоростью света до бесконечности, чтобы «перестроить» электрическое поле в его нынешнюю форму.

Каков механизм распространения этого возмущения? Мы не видим здесь другого компонента электромагнитного поля — магнитного поля. Но оно явно присутствует. Его создание является следствием законов Максвелла. Когда электрический заряд начинает двигаться, электрическое поле начинает изменяться, и это вызывает вокруг него вихревое магнитное поле. Линии магнитного поля образуют расширяющиеся круги с центрами на линии движения электрического заряда. Это магнитное поле также изменяется (ведь оно появилось); а раз так, то оно генерирует вокруг себя вращающееся электрическое поле. И таким образом, взаимно порождая друг друга, оба поля уходят в бесконечность, неся с собой возмущение, или «коррекцию» электрического поля.

Описанная здесь электромагнитная волна называется волновым импульсом. Обратите внимание, что он создается электрическим зарядом, который переместился в новое место — поэтому он должен был ускориться, а затем замедлиться. Оказывается, электромагнитная волна всегда порождается электрическим зарядом, который движется с ускорением (как в данном случае). В частности, электрический заряд может колебаться или двигаться по кругу. Тогда, если движение электрического заряда периодическое, то и волна тоже периодическая.

Форма таких волн в виде линий напряженности электрического поля показана на рис. 3 и рис. 4. Аналогом обсуждаемого здесь импульса электромагнитной волны в акустике является волна, возникающая, например, при хлопке в ладоши. Или в общем случае — однократное отклонение от равновесного состояния любой точки упругой среды.

Рис. 3. Вертикальные гармонические колебания заряда создают волну, подобную радиоволне, источником которой является колеблющийся диполь Рис. 4. Источником такой волны является заряд, движущийся по кругу. Для релятивистских скоростей заряда (сравнимых со скоростью света в вакууме) такая волна называется синхротронным излучением

Если источник каждого типа волны колеблется гармонически, то получается периодически изменяющаяся волна — гармоническая волна. В связи с этим и для данного типа электромагнитных волн мы можем определить частоту и длину волны, описать их взаимосвязь известным способом: λ = с / f.

Электромагнитные волны.

вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.

В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

Рисунок 2.7 — Вихревое электрическое поле

где,— вектор напряженности электрического поля,— вектор магнитной индукции.

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.

В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле.

Возникла идея о едином электромагнитном поле.

Рисунок 2.8 — Единое электромагнитное поле.

Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.

Электромагнитное поле — это особая форма материи — совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:

— проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;

— распространяется с большой, но конечной скоростью;

— существует независимо от нашей воли и желаний.

При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.

При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, кото­рая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).

Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Рисунок 2.9 — Спектр электромагнитных волн

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Ра́дио (лат. radio — излучаю, испускаю лучи ← radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Радиоволны (от радио. ), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6×10 12 Гц).

Радиоволны — это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м).

λ=300/f, где f — частота (МГц)

Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании — радиоволны.

«Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор — устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты — радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10— 11 м.

Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода.

Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (колебания векторов ). Вблизи заряда электрическое и магнитное поля изменяются со сдвигом фаз p/2.

Рисунок 2.10 — Единое электромагнитное поле.

На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно.

Рисунок 2.11 — Синфазное изменение электрического и магнитного полей.

Электромагнитная волна поперечна. Направление скорости электромагнитной волны совпадает с направлением движения правого винта при повороте ручки буравчика вектора к вектору .

Рисунок 2.12 — Электромагнитная волна.

Причем в электромагнитной волне выполняется соотношение , где с – скорость света в вакууме.

Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.

Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты. Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты.

Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).

Закрытый колебательный контур электромагнитных волн не излучает: вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Частота колебаний определяется параметрами колебательного контура: .

Рисунок 2.13 — Колебательный контур.

Для увеличения частоты необходимо уменьшить L и C, т.е. развернуть катушку до прямого провода и, т.к. , уменьшить площадь пластин и развести их на максимальное расстояние. Отсюда видно, что мы получим, по существу, прямой проводник.

Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник.

Рисунок 2.14 — Вибратор Герца.

Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры.

Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3 . 10 8 м/с.

Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света.

Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн.

С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода.

Таким образом, можно определить, что радиоволна — это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц.

Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из ( 1 ), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f = 1 / T, то длина волны λ = υ / f .

Радиолиния включает в себя следующие основные части:

• Среда, в которой распространяются радиоволны.

Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии.

Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).

Объясните, как распространяется в пространстве гармоническое возмущение электромагнитного поля

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Похожие вопросы

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,408
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.