Лекция 40

Лекция 40
Тема:
Предсказание и открытие электромагнитных волн. Опыты Герца.
Излучение э/м волн. Скорость их распространения. Перенос энергии э/м волной.
Шкала электромагнитных волн.
В 1864 году великий шотландский физик-теоретик Джеймс Максвелл создал
единую теорию электромагнитного поля. Эта теория является обобщением теоремы
Гаусса, закона электромагнитной индукции и др. Она представлена в виде 4-х уравнений
Максвелла. Так как изучение этих уравнений, вследствие их математической сложности
выходит за рамки школьной программы, сформулируем основные следствия из них.
1. Электрическое и магнитное поля есть проявления единого электромагнитного
поля.
2. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся
магнитное поле порождает электрическое поле, причем эти явления
взаимосвязаны.
3. Изменяющиеся во времени токи или ускоренно движущиеся заряды могут являться
источниками электромагнитных волн. Электромагнитной волной называется
распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.
4. Электромагнитная волна является поперечной. При распространении э/м волны
происходит колебания векторов напряженности электрического поля
и вектора магнитной индукции. Причем эти два вектора взаимно
перпендикулярны и перпендикулярно скорости распространения
волны
(см. картинку). Модули векторов Е и В связаны
соотношением: ε0εЕ2=В2/(μ0μ)
5. Скорость света в вакууме теоретически получена Максвеллом
Скорость света в среде:
.
Свет является частным проявлением э/м волн. Их свойства зависят от длины волна
(частоты)
Единая шкала э/м волн представлена на рисунке 1.
Как видно из таблицы нижняя граница э/м волн начинается с радиоволн, а верхняя
заканчивается гамма-излучением. Распространение э/м волн связано с переносом энергии.
Объемная плотность энергии электромагнитной волны складывается из объемной
плотности энергий электрического и магнитного полей:
.
,
, где Н – векторная величина, называемая напряженностью магнитного
поля
.
, и как было сказано выше эти дроби равны. Тогда,
. Так как интенсивность волны
- вектор Умова-Пойнтинга, который направлен в сторону
распространения волны. Э/м волна оказывает давление на поверхность, которое можно
объяснить следующим образом. Предположим волна направлена на металлическую
поверхность. Свободные электроны начинают движение под действием электрического
поля, но при этом на них действует сила Лоренца со стороны магнитного поля. Можно
показать с помощью правила левой руки, что сила Лоренца направлена в глубь
поверхности. Величина светового давления может быть вычислена по формуле:
, где ρ- коэффициент отражения. Для зеркальной поверхности он равен 1.
Из уравнений Максвелла так же следует, что интенсивность электромагнитной
волны пропорциональна частоте в четвертой степени.
Опыты Герца.
В 1886 году немецкий физик Генрих Герц экспериментально доказал
существования э/м волн. Для этого ему предстояло преодолеет следующие трудности:
1. Нужно "заставить" распространяться э/м колебания в пространстве. Э/м колебания
возникают в колебательном контуре, однако в обычном контуре электрическое
поле сосредоточено между пластинами конденсатора, а магнитное внутри катушки
индуктивности. Чтобы излучение стало возможным, нужно иметь открытый
колебательный контур, в котором область э/м поля не была огорожена пластинами.
2. Частота колебаний должна быть достаточно велика, чтобы создались э/м волны
достаточно большой интенсивности.
Как известно
. То есть, для увеличения частоты необходимо уменьшить
индуктивность и емкость контура. Герц поступил следующим образом: Вместо катушки
индуктивности взял прямой провод, индуктивность которого минимальна, а обкладки
конденсатора уменьшил в размерах и раздвинул. Получился прямой провод, концы
которого являются обкладками конденсатора с очень малой площадью пластин.
Одновременно были решены обе задачи: увеличение частоты колебаний и создание
контура, в котором э/м поле не было сосредоточено в узких пространствах конденсатора и
катушки. Для возбуждения колебаний провод был разрезан посередине, чтобы остался
небольшой воздушный зазор. Оба проводника заряжались до большой разности
потенциалов. В некоторый момент времени в зазоре проскакивала искра, цепь замыкалась
и возникали колебания высокой частоты. Колебания были, разумеется, затухающими.
Данное устройство получило название вибратор Герца. Регистрация э/м волн
проводилась с помощью такого же вибратора, расположенного на некотором расстоянии.
В его зазоре Герц наблюдал искрение, что доказывало распространение волн. Установка
Герца представлена на рисунке 2.
Опыты Герца послужили толчком для создания беспроводной связи. 7 мая 1895
года русский ученый Александр Попов впервые
продемонстрировал беспроводной радиотелеграф.
Независимо от Попова, проблемой занимался
итальянский коммерсант и физик-любитель Маркони.
Который хорошо понимал ценность проекта и в 1897 г.
запатентовал изобретение.
Распространение радиоволн.
Э/м волны, используемые для радиосвязи называются радиоволнами. Они
подразделяются:
1. Сверхдлинные >10 000 м.
2. Длинные: длина волны от 1000 до 10000 м. Длинные волны хорошо огибают
препятствия, однако из-за малой частоты непригодны для использования для
передачи на значительные расстояния.
3. Средние: длина волны от 100 до 1000 м. Достаточно надежная радиосвязь на не
очень больших расстояниях.
4. Короткие: от 10-100 м. Короткие волны не способны огибать Земной поверхности,
но за счет большой интенсивности, связь на этих волн возможна на большие
расстояния, путем многократного отражение радиоволн от ионосферы
(ионизированного газа в верхних слоях атмосферы на высоте 100-300 км.) и Земли.
Однако, свойства ионосферы изменяются в зависимости от атмосферных явлений и
времени суток, поэтому качество связи на большие расстояния может быть
невысоким.
5. Ультракороткие (метровые) 1-10 м.
(дециметровые) 0,1 -1 м.
(сантиметровые) 1-10 см.
(миллиметровые) 1-10 мм. Данный тип радиоволн проникают
сквозь ионосферу и поэтому пригодны для осуществления радиосвязи в прямой
видимости передающей и приемных антенн, а так же для связи с космическими кораблями
и спутниками. Данный тип радиоволн используется для радиолокации- обнаружение и
определение расстояний до
объектов, основанное на отражении
радиоволн.
Основные принципы радиосвязи.
Схема радиосвязи представлена на рисунке 4.
Переданные радиоволны принимаются антенной приемника, которая индуктивно
связана с приемным колебательным контуром. Приемный контур настраивается на
резонансную частоту нужной радиопрограммы путем изменения емкости конденсатора.
Выделенный приемным контуром сигнал усиливается усилителем, декодируется и
воспроизводится соответствующими устройствами.