Конспект урока: Электромагнитные волны. Принципы радиосвязи и телевидения

Основные положения и выводы теории Максвелла

Эксперименты показывают, что если на некотором расстоянии от колебательного контура, в котором происходят электромагнитные колебания, расположить второй такой же контур, то через определённый промежуток времени во втором контуре возникнут электромагнитные колебания. Это доказывает, что электромагнитные возмущения могут распространяться в пространстве.

Теория электромагнитного поля была создана в 1860–1865 гг. одним из величайших физиков Джеймсом Максвеллом (1831–1879). Рассмотрим основные положения этой теории.

Рис. 1. Джеймс Максвелл

Из открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции следует, что изменяющееся с течением времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Максвелл выдвинул смелую гипотезу, что, в свою очередь, и изменяющееся с течением времени электрическое поле порождает магнитное поле. Он показал, что электрическое и магнитное поля являются лишь разными проявлениями единого объекта — электромагнитного поля. В общем случае, когда поля неравномерно изменяются с течением времени, в каждой точке пространства одновременно имеют место и электрическая, и магнитная составляющие единого электромагнитного поля.

 

Основным результатом этой теории стало предсказание Максвеллом существования электромагнитных волн. Он смог даже вычислить скорость распространения этих волн. Рассчитанное значение оказалось равным известной из экспериментов скорости света. Согласно современным данным, модуль скорости света в вакууме $с=2,99792458·{10}^8 м/с (~300 000 км/с).$

Электромагнитные волны были зарегистрированы через 9 лет после смерти Максвелла немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894). Ему удалось получить электромагнитные колебания большой частоты, добиться излучения электромагнитных волн и зарегистрировать их приём. Герц исследовал свойства электромагнитных волн и определил скорость их распространения (данные подтвердили расчёты Максвелла).

Механизм возникновения и распространения электромагнитной волны

Рассмотрим механизм возникновения и распространения электромагнитной волны. Если в одном колебательном контуре установятся вынужденные электромагнитные колебания с частотой $\omega$, то периодически изменяющееся электрическое поле между пластинами конденсатора этого контура порождает периодически изменяющееся с той же частотой магнитное поле. Это изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, порождает периодически изменяющееся с той же частотой вихревое электрическое поле. Оно порождается не только между пластинами конденсатора, но вне его. Это поле порождает новое магнитное поле и т. д. (рис. 2).

Рис. 2. Механизм образования электромагнитной волны

Такие последовательные порождения друг другом периодически изменяющихся с одинаковой частотой электрических и магнитных полей приводят к тому, что с течением времени в пространстве распространяются периодические возмущения электромагнитного поля — электромагнитная волна.

Достигая второй контур, электромагнитная волна возбуждает в нём электромагнитные колебания, которые уже можно наблюдать на экране осциллографа, если его подсоединить ко второму контуру. Амплитуда колебаний в контуре будет максимальной, если собственная частота этого контура совпадает с частотой ω вынужденных колебаний в первом контуре.

Все элементы колебательного контура, в котором происходят электромагнитные колебания, являются источниками электромагнитных волн. Согласно теории Максвелла, источником электромагнитных волн должен быть и любой движущийся с ускорением электрический заряд, так как движущийся заряд порождает изменяющееся магнитное поле, а оно, в свою очередь, электрическое и т. д. 

Свойства электромагнитной волны

Рассмотрим рисунок, на котором показано, как направлены силовые линии электрического и магнитного полей в электромагнитной волне (рис. 3).

Рис. 3. Модель электромагнитной волны

Эти линии не только взаимно перпендикулярны, но и перпендикулярны направлению распространения волны, таким образом, электромагнитная волна является поперечной.

На рис. 3 видим что электромагнитная волна распространяется вдоль положительного направления оси $Z$ в момент времени $t$. На рисунке $\overrightarrow{E}$ — вектор напряжённости электрического поля, $\overrightarrow{B}$ — вектор магнитной индукции, $\overrightarrow{E}\perp \overrightarrow{B}$. Колебания векторов напряжённости и магнитной индукции происходят 
синфазно — их модули достигают максимальных значений одновременно в одних и тех же точках пространства.

За время равное периоду колебаний электромагнитная волна распространяется на расстояние, которое называют длиной волны $\lambda$. Поэтому $\lambda =с·T=\frac{c}{\nu }$, где $T$ — период колебаний, $\nu$ — частота колебаний в электромагнитной волне.

Если амплитуды колебаний проекций векторов $\overrightarrow{E}$ и $\overrightarrow{B}$ на оси $X$ и $Y$ (рис. 3) соответственно не изменяются в процессе распространения волны, то уравнения, описывающие изменения этих проекций (уравнения электромагнитной волны), могут быть представлены в виде

$E_x(z, t)=E_m·\sin (\omega ·(t-\frac{z}{c}\left)\right)$;  

$B_y(z, t)=B_m·\sin (\omega ·(t-\frac{z}{c}\left)\right)$.

С учётом понятий периода колебаний и длины волны эти уравнения могут быть представлены в виде

$E_x(z, t)=E_m·\sin (\omega ·t-\frac{2\pi ·z}{\lambda })=E_m·\sin (\omega ·t-k·z)$; 

$B_y(z, t)=B_m·\sin (\omega ·t-\frac{2\pi ·z}{\lambda })=E_m·\sin (\omega ·t-k·z)$,  

где число $k=\frac{2\pi }{\lambda }$ называют волновым числом.

Различия между распространением механических и электромагнитных волн

Между процессами распространения электромагнитных и упругих волн есть принципиальное различие. Для распространения механических волн необходимо наличие упругой среды. Напротив, электромагнитная волна может распространяться даже в тех областях пространства, где отсутствует вещество, т. е. в вакууме. Это связано с тем, что в электромагнитной волне колебания совершают не частицы вещества, а напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля.

В настоящее время все электромагнитные волны в зависимости от длины волны (или частоты) принято разделять на восемь диапазонов: волны звуковых частот, радиоволны, СВЧ-излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение ($\gamma$). Границы диапазонов условны.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга скоростью распространения в разных веществах, проникающей способностью и другими свойствами.

При увеличении частоты электромагнитного излучения оно всё в меньшей степени проявляет свойства, присущие волне, и всё в большей степени проявляет корпускулярные свойства, присущие потоку частиц. Эти частицы электромагнитного излучения называют  фотонами . Наиболее ярко выраженными корпускулярными свойствами обладает гамма-излучение.

В настоящее время установлено, что энергия фотона прямо пропорциональна частоте электромагнитного излучения. Коэффициент пропорциональности $h$ — универсальная физическая постоянная, названная в честь немецкого физика Макса Планка (1858–1947) постоянной Планка. 

$h=6,63·{10}^{-34} Дж·с,$

$E_{ф}=h·\nu .$