 |
Лекция 60. Электромагнитное поле. Свойства электромагнитных волн
|
|
|
|
Цель занятия: ознакомить студентов с механизмом образования электромагнитных волн.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Контроль знаний | 1. Незатухающие колебания. 2. Автоколебательные системы. 3. Генератор на транзисторе. |
| Демонстрации | Фрагменты видеофильма «Электромагнитные волны». |
| Изучение нового материала | 1. Как образуется электромагнитная волна. 2. Открытый колебательный контур. 3. Физические величины, характеризующие электромагнитную волну. 4. Опыты Герца. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Как образуется электромагнитная волна
Электрический заряд, движущийся в пустоте равномерно, не излучает энергии. Это вытекает из принципа относительности, согласно которому все инерциальные системы отсчета равноправны. В системе, движущейся с зарядом, он неподвижен, а неподвижные заряды не излучают.
Иная картина возникает в том случае, когда заряд под действием внешних сил движется с ускорением. Поле имеет энергию, а значит и массу, образно говоря, отрывается от заряда и излучается в пространство со скоростью света. Излучение происходит, пока на заряд действует внешняя сила, что передает ему ускорение.
Только заряды, которые движутся с ускорением, могут передавать энергию посредством создаваемого ими электромагнитного поля.
Если пропускать через проводник переменный ток, то у проводника периодически будет меняться магнитное поле. Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, что, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, и т. др. То есть мы наблюдаем распространение в пространстве колебаний электромагнитного поля.
Как известно, распространение в пространстве колебаний вещества или поля называют волной.
|
|
|
Ø Электромагнитная волна - это процесс распространения в пространстве с течением времени свободного электромагнитного поля.
Следовательно, источником электромагнитной волны может быть или заряженное тело, ускоренно движется, или проводник, через который течет переменный ток.
2. Открытый колебательный контур
Любой круг переменного тока излучает энергию. Однако обычный колебательный контур излучает крайне слабо. Это происходит по двум причинам:
1) недостаточно высокая частота (интенсивность излучения пропорциональна частоте в четвертой степени);
2) волны, излучаемые различными участками контура, находятся в противофазе и гасят друг друга.
Ø Контур не излучает в пространство электрическую энергию, называют закрытым.
Чтобы сделать излучения более интенсивным, нужно существенно повысить частоту. Если судить по формуле:
то для этого надо уменьшить L и C. Отдаление катушки индуктивности и раздвижения пластин конденсатора приводит к резкому увеличению частоты. Чтобы колебательный контур хорошо излучал электромагнитные волны, необходимо увеличить объем пространства, в котором образуется электромагнитное поле. Для этого контур необходимо развернуть (сделать открытым), чего проще всего достичь, раздвинув пластины конденсатора на максимально возможное расстояние.
Именно прямой проводник (вибратор) представляет простейший пример открытого колебательного контура.
3. Физические величины, характеризующие электромагнитную волну
Согласно теории Максвелла электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в этот момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов 
и 
. Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны.
|
|
|
На рисунке схематически изображена зависимость от координат вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне в определенный момент времени. В каждой точке пространства, сквозь который движется электромагнитная волна, модуль вектора напряженности электрического поля пропорционален вектору индукции магнитного поля, а направлены эти векторы всегда под прямым углом друг к другу. Гребне волны перемещаются в пространстве со скоростью света с.
Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения.
Скорость распространения электромагнитной волны - это расстояние, на которое распространяется волна за единицу времени: 
= s/t.
Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме является постоянной и равна скорости света в вакууме: с = 3 · 108 м/с.
Длина волны λ - это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода.
Для электромагнитной волны в вакууме период T, частота v и длина волны λ связаны соотношениями λ = cT = c/v. В течение одного периода волна проходит расстояние, равное длине волны.
4. Опыты Герца
Многие ученые подвергали сомнению правильность теории электромагнитного поля Максвелла. 1886 г. Генрих Герц решил поставить опыт с целью опровергнуть теорию Максвелла. Опыт заключался в том, что в узком промежутке незамкнутого контура возбуждалась искра при помощи высокого напряжения.
Вибратор Герца излучал электромагнитные волны преимущественно в направлении, перпендикулярном к проводнику. Вектор этой волны колебался параллельно к вибратору, а вектор - перпендикулярно к вибратору. В направлении оси вибратора излучения не происходит.
Необходимо было найти способ обнаружения и исследования электромагнитных волн. Герц использовал для этого второй (приемный) вибратор.
Этот вибратор не присоединяли к какому источнику высокого напряжения. Поэтому колебания в нем могли возникнуть только под действием электромагнитной волны. О возникновении колебаний могли свидетельствовать крошечные искры в искровом промежутке приемного вибратора. Чтобы увеличить амплитуду колебаний в этом вибраторе, было использовано явление резонанса: собственная частота колебаний в приемном вибраторе совпала с собственной частотой колебаний в излучателе. Схема опыта Герца показана на рисунке.
|
|
|
Герц не только получил электромагнитные волны, но и изучил их свойства. Опыты Герца показали, что электромагнитные волны отражаются от проводника, преломляются на границе с диэлектриком, могут интерферировать, огибать препятствия, их можно поляризовать. При этом отражение, преломление, интерференция и дифракция электромагнитных волн происходят по тем же законам, что и для света. Таким образом, Герц экспериментально подтвердил вывод Максвелла об электромагнитной природе света.
Герц писал: «...описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения».
Решение задач
1. В некоторой точке пространства индукция магнитного поля электромагнитной волны изменяется от нуля до максимального значения за 2 мкс. Чему равна длина волны?
2. Длина радиоволны в вакууме равна 60 м. За время напряженность электрического поля волны уменьшится от максимума до нуля?
Контрольные вопросы:
1. Горизонтальный проводник, в котором протекает переменный ток высокой частоты, расположенный вдоль параллели. В каких направлениях (преимущественно) распространяются электромагнитные волны от этого проводника?
2. Передающий и приемный вибраторы расположены взаимно перпендикулярно. Возникнут ли колебания в приемном вибраторе?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 34; Учебник-2: § 17 (п. 2).
2. Сборник задач.: № 12.18; 12.19; 12.23; 12.25.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
