Конспект урока: Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Электромагнитные волны

Электромагнитное поле. Электромагнитные волны

Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции позволило сформулировать следующий тезис: изменяющееся с течением времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое приводит в движение заряды в замкнутом проводнике и является причиной возникновения индукционного тока. Такое поле называют вихревым, потому что, в отличие от электрического поля вокруг неподвижных зарядов, его силовые линии замкнуты.

В 1860–1879 гг. британский физик Джеймс Максвелл (1831–1879), опираясь на результаты экспериментов Фарадея, разработал теорию электромагнитного поля. Он сформулировал гипотезу, согласно которой не только изменяющееся со временем магнитное поле порождает электрическое, но и изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное.

Электрическое и магнитное поля являются частями единого электромагнитного поля. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн задолго до того, как они были обнаружены экспериментально немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894).

Вспомним, что электрическое поле в любой точке пространства характеризуется вектором напряжённости $\overrightarrow{E}$.

Напряжённость электрического поля Е в данной точке — это физическая величина, равная отношению силы F электрического поля, действующей на помещённый в данную точку поля пробный заряд q₀, к этому заряду:

$\overrightarrow{E}=\frac{{\overrightarrow{F}}_{к}}{q_0}$.

В свою очередь, характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции $\overrightarrow{B}$.
 

Модуль магнитной индукции В — это физическая величина, равная отношению максимального модуля силы Ампера, действующей на прямолинейный проводник с током, к произведению силы тока $I$ в этом проводнике на его длину $l$:
 

$B=\frac{F_A}{I·l}$.
 

Источником электромагнитной волны может быть любое возмущение электромагнитного поля: периодическое изменение электрического поля между пластинами конденсатора или магнитного поля вокруг катушки индуктивности в колебательном контуре.

Пусть в некоторой точке пространства наблюдается периодическое изменение магнитного поля. Оно приведёт к возникновению периодически изменяющегося электрического поля в той же точке пространства. С некоторым запаздыванием во времени исходное магнитное поле приведёт к возникновению изменяющегося электрического поля в соседних областях пространства, затем — в более и более отдалённых.

Для распространения механических колебаний в пространстве необходимо наличие упругой среды, так как именно части среды переносят энергии из одной точки пространства в другую. Электромагнитные волны представляют собой совокупность магнитного и электрического полей, поэтому для их распространения не обязательно наличие среды, такие волны могут распространяться везде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

На рисунке 1 показано, как изменяются вектор напряжённости $\overrightarrow{E}$ и вектор магнитной индукции $\overrightarrow{B}$ в процессе распространения электромагнитной волны в направлении оси ОХ.

Рис. 1. Электромагнитная волна

 

Из представленного графика видно, что вектора $\overrightarrow{E}$ и $\overrightarrow{B}$ колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, колебания этих величин перпендикулярны направлению распространения волны. Таким образом, электромагнитные волны являются поперечными.

Модуль скорости распространения электромагнитной волны в вакууме равен модулю скорости света в вакууме $c\approx 300 000 \mathrm{км}/\mathrm{с}$.
 

При этом скорость распространения электромагнитной волны зависит от среды: чем она плотнее, тем меньше скорость электромагнитной волны. В газах скорость электромагнитной волны приблизительно равна скорости света в вакууме.
 

Также, как и в случае с механическими волнами, за время, равное периоду колебаний, электромагнитная волна проходит расстояние, равное длине волны: $\lambda =v·T$, если такая волна распространяется в вакууме или газе:
 

$\lambda =v·T=c·T=\frac{c}{\nu }$.

Шкала электромагнитных волн. Энергия фотона. Модуляция

На рисунке 2 представлена шкала электромагнитных волн. Все волны в зависимости от их частоты (или длины волны) разделены на шесть диапазонов.

Рис. 2. Шкала электромагнитных волн

Видимый свет представляет собой лишь узкий диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 3,8 ∙ 10^-7 до 7,6 ∙ 10^-7 м.

Электромагнитные волны отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью и другими свойствами.

С увеличением частоты электромагнитная волна начинает слабо проявлять свойства, присущие волнам, но в большей степени проявляет свойства, присущие потоку частиц. Такие свойства называются корпускулярными. Частица электромагнитного излучения получила название фотон. Наибольшей частотой обладает гамма-излучение (рис. 2). Частицы гамма-излучения часто называют гамма-квантами.

Если на небольшом расстоянии от колебательного контура, в котором происходят электромагнитные колебания, расположить второй аналогичный контур, то во втором контуре вследствие распространения электромагнитной волны от первого контура также начнут происходить электромагнитные колебания. При этом источники электромагнитных волн — переменные электрические и магнитные поля — сосредоточены преимущественно внутри элементов контура, в связи с этим передача энергии подобным способом мало эффективна.

Русский физик Александр Попов (1859–1906) в 1894 г. обнаружил, что эффективность передачи можно повысить, подключив к контуру длинные 
провода — антенны. Наиболее подходящая форма антенны определяется диапазоном передаваемых электромагнитных волн. Благодаря этому открытию появилась возможность передавать информацию в виде теле- и радиосигналов на дальние расстояния, не используя провода.

Качество принимаемого сигнала зависит от частоты электромагнитной волны: чем больше частота, тем лучше качество передаваемого сигнала. Частота колебаний электромагнитной волны, которая используется для передачи информации, называется несущей частотой.

Рис. 3. Процесс модуляции

Чтобы передавать информацию с помощью несущей волны, применяется так называемая модуляция. Модуляция — это процесс изменения одного или нескольких характеристик несущего колебания по закону информационного сигнала (рис. 3). Можно сказать, что модуляция представляет собой процесс кодирования информационного сигнала. Промодулированный сигнал поступает в детектор — специальное устройство, преобразующее полученный сигнал в требуемый вид: звук, изображение 
и др.

Существуют разные способы модуляции. Например, в процессе амплитудной модуляции амплитуда колебаний несущей волны изменяется по заданному закону. Более надёжной является частотная модуляция, в процессе которой изменяется частота несущей волны. В процессе передачи несущей волны окружающая среда в большей степени оказывает влияние на амплитуду колебаний, нежели на их частоту. Поэтому частотная модуляция лучше противодействует возникновению помех.

Наконец, следует рассмотреть, какое влияние оказывают электромагнитные волны на живые организмы. Дело в том, что продолжительное воздействие электромагнитных волн на человека может привести к нарушениям в работе нервной, сердечно-сосудистой и других систем. В связи с этим персонал, работающий на станциях передачи радио- и телесигналов, в центрах космической связи и др., должен работать в средствах индивидуальной защиты и строго соблюдать правила безопасности. По этой же причине жилые дома не могут располагаться вблизи высоковольтных линий электропередачи.
 

Негативное влияние на здоровье человека могут оказывать даже маломощные электроприборы, такие как СВЧ-печи, мобильные устройства и др., если не ограничивать время их использования.

В то же время электромагнитные волны малой мощности широко используются в медицине: например, ультрафиолетовое излучение используется для обеззараживания помещений, рентгеновское излучение — для диагностики и лечения некоторых заболеваний.

Итоги

• Электромагнитная волна представляет собой совокупность переменных магнитного и электрического полей, порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве.
• Модуль скорости распространения электромагнитной волны в вакууме равен модулю скорости света в вакууме $c\approx 300 000 \mathrm{км}/\mathrm{с}$.
• Длина электромагнитной волны в газе или вакууме рассчитывается по следующей формуле: $\lambda =c·T=\frac{c}{\nu }$.
• Энергия Е одного фотона равна произведению постоянной Планка h на частоту электромагнитного излучения: $E=h·\nu$,
  где $h=6,63·{10}^{-34} Дж·с$ — постоянная Планка.
• Модуляция — это процесс изменения одного или нескольких характеристик несущего колебания по закону информационного сигнала.