Создал теорию распространения электромагнитных волн. Лекция Распространение электромагнитных волн

В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Из теории Максвелла следует, что возможен и обратный процесс. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.

Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн , могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с , то есть со скоростью света.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна , ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:

Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Электромагнитная волна переносит энергию.

Диапазон электромагнитных волн

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением . Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Принцип радиосвязи

Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур "открывают", т.е. создают условия для того, чтобы поле "уходило" в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром - антенной .

Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.

Радар (радиолокатор)

Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.

Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.

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.

Электромагнитной волной называют возмущение электромагнитного поля, которое передается в пространстве. Ее скорость совпадает со скоростью света

2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

В опыте Герца источником электромагнитного возмущения были электромагнитные колебания, которые возникали в вибраторе (проводник с воздушным промежутком посередине). К этому промежутку подавалось высокое напряжение, оно вызывало искровой разряд. Через мгновение искровой разряд возникал в резонаторе (аналогичный вибратор). Самая интенсивная искра возникала в резонаторе, который был расположен параллельно вибратору.

3. Объясните результаты опыта Герца с помощью теории Максвелла. Почему электромагнитная волна является поперечной?

Ток через разрядный промежуток создает вокруг себя индукцию, магнитный поток возрастает, возникает индукционный ток смещения. Напряженность в точке 1 (рис. 155, б учебника) направлена против часовой стрелки в плоскости чертежа, в точке 2 ток направлен вверх и вызывает индукцию в точке 3, напряженность направлена вверх. Если величина напряженности достаточна для электрического пробоя воздуха в промежутке, то возникает искра и в резонаторе протекает ток.

Потому что направления векторов индукции магнитного поля и напряженности электрического поля перпендикулярны друг другу и направлению волны.

4. Почему излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов? Как напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне зависит от ускорения излучающей заряженной частицы?

Сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, поэтому электромагнитная волна возникает только если скорость движения этих частиц зависит от времени. Напряженность в излучаемой электромагнитной волне прямо пропорциональна ускорению излучающей заряженной частицы.

5. Как зависит плотность энергии электромагнитного поля от напряженности электрического поля?

Плотность энергии электромагнитного поля прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Электромагнитные волны, если верить физике, являются одними из наиболее загадочных. В них энергия фактически исчезает в никуда, появляется непонятно откуда. Больше ни одного такого подобного объекта нет во всей науке. Как же происходят все эти чудесные взаимопревращения?

Электродинамика Максвелла

А началось все с того, что ученый Максвелл в далеком 1865 году, опираясь на работы Фарадея, вывел уравнение электромагнитного поля. Сам Максвелл считал, что его уравнения описывали кручение и натяжение волн в эфире. Через двадцать три года Герц экспериментально создал такие возмущения в среде, причем удалось не только согласовать их с уравнениями электродинамики, но и получить законы, управляющие распространением этих возмущений. Возникла любопытная тенденция объявлять любые возмущения, которые имеют электромагнитный характер, волнами Герца. Однако эти излучения - не единственный способ осуществления передачи энергии.

Беспроводная связь

На сегодняшний день к возможным вариантам осуществления подобной беспроводной связи относят:

Электростатическую связь, которую также называется емкостной;

Индукционную;

Токовую;

Связь Теслы, то есть связь волн электронной плотности по проводящим поверхностям;

Широчайший спектр наиболее распространенных носителей, которые называются электромагнитные волны - от сверхнизких частот до гамма-излучения.

Стоит рассмотреть эти виды связи более подробно.

Электростатическая связь

Два диполя являются связанными электрическими силами в пространстве, что является следствием закона Кулона. От электромагнитных волн данный тип связи отличается возможностью связать диполи при расположении их на одной линии. С увеличением расстояний сила связи затухает, а также наблюдается сильное влияние различных помех.

Индукционная связь

Основана на магнитных полях рассеяния индуктивности. Наблюдается между объектами, которые имеют индуктивность. Применение ее довольно ограничено ввиду близкодействия.

Токовая связь

Благодаря токам растекания в проводящей среде может возникнуть определенное взаимодействие. Если через терминалы (пара контактов) пропустить токи, то эти самые токи можно обнаружить на значительном расстоянии от контактов. Именно это и называется эффектом растекания токов.

Связь Теслы

Знаменитый физик Никола Тесла изобрел связь с помощью волн на проводящей поверхности. Если в каком-то месте плоскости нарушить плотность носителя заряда, то эти носители начнут движение, которое будет стремится к восстановлению равновесия. Так как носители обладают инерционной природой, то восстановление носит волновой характер.

Электромагнитная связь

Излучение электромагнитных волн отличается огромным дальнодействием, так как их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию до источника. Именно этот способ беспроводной связи получил наибольшее распространение. Но что такое электромагнитные волны? Для начала необходимо осуществить небольшой экскурс в историю их открытия.

Как «появились» электромагнитные волны?

Началось все в 1829 году, когда американский физик Генри обнаружил возмущения электрических разрядов в экспериментах с лейденскими банками. В 1832 году физиком Фарадеем было выдвинуто предположение о существовании такого процесса, как электромагнитные волны. Максвелл в 1865 году создал свои знаменитые уравнения электромагнетизма. В конце девятнадцатого века было много успешных попыток создания беспроводной связи с помощью электростатической и электромагнитной индукции. Знаменитый изобретатель Эдисон придумал систему, которая позволяла пассажирам железной дороги отправлять и получать телеграммы прямо во время движения поезда. В 1888 году Г. Герц однозначно доказал то, что электромагнитные волны появляются с помощью устройства, названного вибратором. Герц осуществил опыт по передаче электромагнитного сигнала на расстояние. В 1890 году инженер и физик Бранли из Франции изобрел устройство для регистрации электромагнитных излучений. Впоследствии этот прибор был назван "радиокондуктор" (когерер). В 1891-1893 годах Никола Тесла описал основные принципы осуществления передачи сигналов на большие расстояния и запатентовал мачтовую антенну, которая являлась источником электромагнитных волн. Дальнейшие заслуги в изучении волн и технической реализации их получения и применения принадлежат таким знаменитым физикам и изобретателям, как Попов, Маркони, де Мор, Лодж, Мирхед и многим другим.

Понятие «электромагнитная волна»

Электромагнитная волна - это явление, которое распространяется в пространстве с определенной конечной скоростью и являет собой переменное электрическое и магнитное поле. Так как магнитные и электрические поля неразрывно связанны друг с другом, то они образуют электромагнитное поле. Также можно сказать, что электромагнитная волна - это возмущение поля, причем во время своего распространения энергия, которая есть у магнитного поля, переходит в энергию поля электрического и обратно, согласно электродинамике Максвелла. Внешне это похоже на распространение любой другой волны в любой другой среде, однако есть и существенные отличия.

Отличие электромагнитных волн от других?

Энергия электромагнитных волн распространяется в довольно непонятной среде. Чтобы сравнивать эти волны и любые другие, необходимо понять, о какой среде распространения идет речь. Предполагается, что внутриатомное пространство заполняет электрический эфир - специфическая среда, которая является абсолютным диэлектриком. Все волны во время распространения проявляют переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. При этом у этих энергий сдвинуты максимум во времени и пространстве относительно друг друга на одну четвертую полного периода волны. Средняя энергия волны при этом, являясь суммой потенциальной и кинетической энергии, является постоянной величиной. Но с электромагнитными волнами дело обстоит иначе. Энергии и магнитного и электрического поля достигают максимальных значений одновременно.

Как возникает электромагнитная волна?

Материя электромагнитной волны - это электрическое поле (эфир). Движущееся поле является структурированным и складывается из энергии его движения и электрической энергии самого поля. Поэтому потенциальная энергия волны связанна с кинетической и синфазна. Природа электромагнитной волны представляет собой периодическое электрическое поле, которое находится в состоянии поступательного движения в пространстве и движется со скоростью света.

Токи смещения

Есть и другой способ объяснить, что собой представляют электромагнитные волны. Предполагается, что в эфире возникают токи смещения при движении неоднородных электрических полей. Возникают они, естественно, только для неподвижного стороннего наблюдателя. В момент, когда такой параметр как напряженность электрического поля достигает своего максимума, ток смещения в данной точке пространства прекратится. Соответственно, при минимуме напряженности получается обратная картина. Этот подход проясняет волновую природу электромагнитного излучения, так как энергия поля электрического оказывается сдвинутой на одну четвертую периода по отношению к токам смещения. Тогда можно сказать, что электрическое возмущение, а точнее энергия возмущения, трансформируется в энергию тока смещения и обратно и распространяется волновым образом в диэлектрической среде.

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) - распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Диапазоны электромагнитного излучения

1 Радиоволны

2. Инфракрасное излучение (Тепловое)

3. Видимое излучение (Оптическое)

4. Ультрафиолетовое излучение

5. Жёсткое излучение

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту и длину волны. Длина волны зависит от скорости распространения излучения. Скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше.

Особенностями электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики являются наличие трёх взаимноперпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

Электромагнитные волны - это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том, числе и через вакуум.

Общим для всех видов излучений является скорость их распространения в вакууме, равная 300 000 000 метров в секунду.

Электромагнитные излучения характеризуются частотой колебаний, показывающих число полных циклов колебаний в секунду, или длиной волны, т.е. расстоянием, на которое распространяется излучение за время одного колебания (за один период колебаний).

Частота колебаний (f), длина волны (λ) и скорость распространения излучения (с) связаны между собой соотношением:с = f λ.

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам . Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые. Волны с длиной λ длиной менее 1 м (частота более 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны 0,74 мкм) и микроволновым излучением (1-2 мм).

Инфракрасное излучение занимает самую большую часть оптического спектра. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

Видимый свет представляет собой сочетание семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.Перед красными областями спектра в оптическом диапазоне находятся инфракрасные, а за фиолетовыми - ультрафиолетовые. Но не инфракрасные, не ультрафиолетовые не видимы для человеческого глаза.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-жёлтым светом. Этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения. При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие.

В природе мы чаще всего встречаемся е телами, излучающими свет сложного спектрального состава, состоящего из воли различной длины. Поэтому энергия видимых излучений воздействует на светочувствительные элементы глаза и производит неодинаковое ощущение. Это объясняется разной чувствительностью глаза к излучениям с различными длинами волн.

Кроме теплового излучения источником и приёмником оптического излучения могут служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии.

Жёсткие лучи . Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ - 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов - больше 0,1 МэВ.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) - электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением (380 - 10 нм, 7,9×1014 - 3×1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380-200 нм) и дальний, или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

Длинноволновое ультрафиолетовое излучение обладает сравнительно небольшой фотобиологической активностью, но способно вызвать пигментацию кожи человека, оказывает положительное влияние на организм. Излучение этого поддиапазона способно вызывать свечение некоторых веществ, поэтому его используют дли люминесцентного анализа химического состава продуктов.

Средневолновое ультрафиолетовое излучение оказывает тонизирующее и терапевтическое действие на живые организмы. Оно способно вызывать эритему и загар, превращать в организме животных необходимый для роста и развития витамин D в усвояемую форму, обладает мощным антирахитным действием. Излучение этого поддиапазона вредны для большинства растений.

Коротковолновое ультрафиолетовое излечение отличается бактерицидным действием, поэтому его широко используют для обеззараживания воды и воздуха, дезинфекции и стерилизации различного инвентаря и посуды.

Основной природный источник ультрафиолетового излучения на Земле - Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от различных факторов.

Искусственные источники ультрафиолетового излучения многообразны. Сегодня искусственные источники ультрафиолетового излучения широко применяются в медицине, профилактических, санитарных и гигиенических учреждениях, сельском хозяйстве и т.д. предоставляются существенно большие возможности, чем при использовании естественного ультрафиолетового излучения излучения.