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.

Электромагнитные волны (таблица которых будет приведена ниже) представляют собой возмущения магнитных и электрических полей, распределяющиеся в пространстве. Их существует несколько типов. Изучением этих возмущений занимается физика. Электромагнитные волны образуются из-за того, что электрическое переменное поле порождает магнитное, а оно, в свою очередь, порождает электрическое.

История исследований

Первые теории, которые можно считать самыми старыми вариантами гипотез об электромагнитных волнах, относятся как минимум к временам Гюйгенса. В тот период предположения достигли выраженного количественного развития. Гюйгенс в 1678-м году выпустил в некотором роде "набросок" теории - "Трактат о свете". В 1690-м он же издал другой замечательный труд. В нем была изложена качественная теория отражения, лучепреломления в том виде, в котором она и сегодня представлена в школьных учебниках ("Электромагнитные волны", 9 класс).

Вместе с этим был сформулирован принцип Гюйгенса. С его помощью появилась возможность изучать движение фронта волны. Этот принцип впоследствии нашел свое развитие в трудах Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля имел особую значимость в теории дифракции и волновой теории света.

В 1660-1670-е годы большой экспериментальный и теоретический вклад внесли в исследования Гук и Ньютон. Кто открыл электромагнитные волны? Кем были проведены опыты, доказывающие их существование? Какие существуют виды электромагнитных волн? Об этом далее.

Обоснование Максвелла

Прежде чем говорить о том, кто открыл электромагнитные волны, следует сказать, что первым ученым, который вообще предсказал их существование, стал Фарадей. Свою гипотезу он выдвинул в 1832-м году. Построением теории впоследствии занимался Максвелл. К 1865-му году он завершил эту работу. В результате Максвелл строго оформил теорию математически, обосновав существование рассматриваемых явлений. Им же была определена скорость распространения электромагнитных волн, совпадавшая с применявшимся тогда значением световой скорости. Это, в свою очередь, позволило ему обосновать гипотезу о том, что свет является одним из типов рассматриваемых излучений.

Экспериментальное обнаружение

Теория Максвелла нашла свое подтверждение в опытах Герца в 1888-м году. Здесь следует сказать, что немецкий физик проводил свои эксперименты, чтобы опровергнуть теорию, несмотря на ее математическое обоснование. Однако благодаря своим опытам Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны практически. Кроме того, в ходе своих экспериментов ученый выявил свойства и характеристики излучений.

Электромагнитные колебания и волны Герц получал за счет возбуждения серии импульсов быстропеременного потока в вибраторе при помощи источника повышенного напряжения. Высокочастотные потоки можно обнаружить при помощи контура. Частота колебаний при этом будет тем выше, чем выше его емкость и индуктивность. Но при этом большая частота не является гарантией интенсивного потока. Для проведения своих опытов Герц применил достаточно простое устройство, которое сегодня так и называют - "вибратор Герца". Приспособление представляет собой колебательный контур открытого типа.

Схема опыта Герца

Регистрация излучений осуществлялась при помощи приемного вибратора. Это устройство имело такую же конструкцию, что и излучающий прибор. Под влиянием электромагнитной волны электрического переменного поля в приемном устройстве происходило возбуждение токового колебания. Если в этом приборе его собственная частота и частота потока совпадали, то появлялся резонанс. В результате возмущения в приемном устройстве происходили с большей амплитудой. Обнаруживал их исследователь, наблюдая искорки между проводниками в небольшом промежутке.

Таким образом, Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны, доказал их способность хорошо отражаться от проводников. Им было практически обосновано образование стоячего излучения. Кроме того, Герц определил скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.

Изучение характеристик

Электромагнитные волны распространяются почти во всех средах. В пространстве, которое заполнено веществом, излучения могут в ряде случаев распределяться достаточно хорошо. Но при этом они несколько изменяют свое поведение.

Электромагнитные волны в вакууме определяются без затуханий. Они распределяются на любое, сколь угодно большое расстояние. К основным характеристикам волн относят поляризацию, частоту и длину. Описание свойств осуществляется в рамках электродинамики. Однако характеристиками излучений некоторых областей спектра занимаются более конкретные разделы физики. К ним, например, можно отнести оптику.

Исследованием жесткого электромагнитного излучения коротковолнового спектрального конца занимается раздел высоких энергий. С учетом современных представлений динамика перестает являться самостоятельной дисциплиной и объединяется со в одной теории.

Теории, применяемые при изучении свойств

Сегодня существуют различные методы, способствующие моделированию и исследованию проявлений и свойств колебаний. Наиболее фундаментальной из проверенных и завершенных теорий считается квантовая электродинамика. Из нее посредством тех или других упрощений становится возможным получить перечисленные ниже методики, которые широко используются в различных сферах.

Описание относительно низкочастотного излучения в макроскопической среде осуществляется при помощи классической электродинамики. Она основана на уравнениях Максвелла. При этом в прикладных применениях существуют упрощения. При оптическом изучении используется оптика. Волновая теория применяется в случаях, когда некоторые части оптической системы по размерам приближены к длинам волн. Квантовая оптика используется, когда существенными являются процессы рассеяния, поглощения фотонов.

Геометрическая оптическая теория - предельный случай, при котором допускается пренебрежение длиной волны. Также существует несколько прикладных и фундаментальных разделов. К ним, к примеру, относят астрофизику, биологию зрительного восприятия и фотосинтеза, фотохимию. Как классифицируются электромагнитные волны? Таблица, наглядно изображающая распределение на группы, представлена далее.

Классификация

Существуют частотные диапазоны электромагнитных волн. Между ними не существует резких переходов, иногда они перекрывают друг друга. Границы между ними достаточно условны. В связи с тем, что поток распределяется непрерывно, частота жестко связывается с длиной. Ниже представлены диапазоны электромагнитных волн.

Ультракороткие излучения принято разделять на микрометровые (субмиллиметровые), миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые. Если электромагнитного излучения меньше метра, то ее принято называть колебанием сверхвысокой частоты (СВЧ).

Виды электромагнитных волн

Выше представлены диапазоны электромагнитных волн. Какие существуют виды потоков? Группа включает в себя гамма- и рентгеновские лучи. При этом следует сказать, что ионизировать атомы способен и ультрафиолет, и даже видимый свет. Границы, в которых находятся гамма- и рентгеновские потоки, определяются весьма условно. В качестве общей ориентировки принимаются пределы 20 эВ - 0.1 Мэв. Гамма-потоки в узком смысле испускаются ядром, рентгеновские - электронной атомной оболочкой в процессе выбивания с низколежащих орбит электронов. Однако данная классификация неприменима к жестким излучениям, генерируемым без участия ядер и атомов.

Рентгеновские потоки формируются при замедлении заряженных быстрых частиц (протонов, электронов и прочих) и вследствие процессов, которые происходят внутри атомных электронных оболочек. Гамма-колебания возникают в результате процессов внутри ядер атомов и при превращении элементарных частиц.

Радиопотоки

За счет большого значения длин рассмотрение этих волн допускается осуществлять, не учитывая атомистическое строение среды. В качестве исключения выступают лишь самые короткие потоки, которые примыкают к инфракрасной области спектра. В радиодиапазоне квантовые свойства колебаний проявляются достаточно слабо. Тем не менее их необходимо учитывать, например, при анализе молекулярных стандартов времени и частоты во время охлаждения аппаратуры до температуры в несколько кельвинов.

Квантовые свойства принимаются во внимание и при описании генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Радиопоток формируется во время движения переменного тока по проводникам соответствующей частоты. А проходящая электромагнитная волна в пространстве возбуждает соответствующий ей. Данное свойство применяется при конструировании антенн в радиотехнике.

Видимые потоки

Ультрафиолетовое и инфракрасное видимое излучение составляет в широком смысле слова так называемый оптический участок спектра. Выделение этой области обуславливается не только близостью соответствующих зон, но и аналогичностью приборов, используемых при исследовании и разработанных преимущественно во время изучения видимого света. К ним, в частности, относятся зеркала и линзы для фокусирования излучений, дифракционные решетки, призмы и прочие.

Частоты оптических волн сравнимы с таковыми у молекул и атомов, а длины их - с межмолекулярными расстояниями и молекулярными размерами. Поэтому существенными в этой области становятся явления, которые обусловлены атомистической структурой вещества. По той же причине свет вместе с волновыми обладает и квантовыми свойствами.

Возникновение оптических потоков

Самым известным источником является Солнце. Поверхность звезды (фотосфера) имеет температуру 6000° по Кельвину и излучает ярко-белый свет. Наивысшее значение непрерывного спектра располагается в "зеленой" зоне - 550 нм. Там же находится максимум зрительной чувствительности. Колебания оптического диапазона возникают при нагревании тел. Инфракрасные потоки поэтому также именуют тепловыми.

Чем сильнее происходит нагревание тела, тем выше частота, где располагается максимум спектра. При определенном повышении температуры наблюдается каление (свечение в видимом диапазоне). При этом сначала появляется красный цвет, затем желтый и далее. Создание и регистрация оптических потоков может происходить в биологических и химических реакциях, одна из которых применяется в фотографии. Для большинства существ, живущих на Земле, в качестве источника энергии выступает фотосинтез. Эта биологическая реакция протекает в растениях под влиянием оптического солнечного излучения.

Особенности электромагнитных волн

Свойства среды и источник оказывают влияние на характеристики потоков. Так устанавливается, в частности, временная зависимость полей, которая определяет тип потока. К примеру, при изменении расстояния от вибратора (при увеличении) радиус кривизны становится больше. В результате образуется плоская электромагнитная волна. Взаимодействие с веществом также происходит по-разному.

Процессы поглощения и излучения потоков, как правило, можно описывать при помощи классических электродинамических соотношений. Для волн оптической области и для жестких лучей тем более следует принимать во внимание их квантовую природу.

Источники потоков

Несмотря на физическую разницу, везде - в радиоактивном веществе, телевизионном передатчике, лампе накаливания - электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. Существует два основных типа источников: микроскопические и макроскопические. В первых происходит скачкообразный переход заряженных частиц с одного на другой уровень внутри молекул либо атомов.

Микроскопические источники испускают рентгеновское, гамма, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое, а в ряде случаев и длинноволновое излучение. В качестве примера последнего можно привести линию спектра водорода, которая соответствует волне в 21 см. Это явление имеет особое значение в радиоастрономии.

Источники макроскопического типа представляют собой излучатели, в которых свободными электронами проводников совершаются периодические синхронные колебания. В системах данной категории происходит генерация потоков от миллиметровых до самых длинных (в линиях электропередач).

Структура и сила потоков

С ускорением и изменяющиеся периодически токи оказывают воздействие друг на друга с определенными силами. Направление и их величина находятся в зависимости от таких факторов, как размеры и конфигурация области, в которой содержатся токи и заряды, их относительное направление и величина. Существенное влияние оказывают и электрические характеристики конкретной среды, а также изменения концентрации зарядов и распределения токов источника.

В связи с общей сложностью постановки задачи представить закон сил в виде единой формулы нельзя. Структура, называемая электромагнитным полем и рассматриваемая при необходимости в качестве математического объекта, определяется распределением зарядов и токов. Оно, в свою очередь, создается заданным источником при учете граничных условий. Условия определяются формой зоны взаимодействия и характеристиками материала. Если речь ведется о неограниченном пространстве, указанные обстоятельства дополняются. В качестве особого дополнительного условия в таких случаях выступает условие излучения. За счет него гарантируется "правильность" поведения поля на бесконечности.

Хронология изучения

Ломоносова в некоторых своих положениях предвосхищает отдельные постулаты теории электромагнитного поля: "коловратное" (вращательное) движение частиц, "зыблющаяся" (волновая) теория света, ее общность с природой электричества и т. д. Инфракрасные потоки были обнаружены в 1800 году Гершелем (английским ученым), а в следующем, 1801-м, Риттером был описан ультрафиолет. Излучение более короткого, нежели ультрафиолетовое, диапазона было открыто Рентгеном в 1895-м году, 8 ноября. Впоследствии оно получило название рентгеновского.

Влияние электромагнитных волн изучалось многими учеными. Однако первым, кто исследовал возможности потоков, сферу их применения, стал Наркевич-Иодко (белорусский научный деятель). Он изучил свойства потоков применительно к практической медицине. Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900-м году. В этот же период Планк проводил теоретические исследования свойств черного тела. В процессе изучения им была открыта квантовость процесса. Его труд стал началом развития Впоследствии было опубликовано несколько работ Планка и Эйнштейна. Их исследования привели к формированию такого понятия, как фотон. Это, в свою очередь, положило начало созданию квантовой теории электромагнитных потоков. Ее развитие продолжилось в трудах ведущих научных деятелей ХХ столетия.

Дальнейшие исследования и работы по квантовой теории электромагнитного излучения и взаимодействия его с веществом привели в итоге к образованию квантовой электродинамики в том виде, в котором она существует и сегодня. Среди выдающихся ученых, занимавшихся изучением данного вопроса, следует назвать, кроме Эйнштейна и Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонагу, Швингера, Фейнмана.

Заключение

Значение физики в современном мире достаточно велико. Практически все, что применяется сегодня в жизни человека, появилось благодаря практическому использованию исследований великих ученых. Открытие электромагнитных волн и их изучение, в частности, привели к созданию обычных, а впоследствии и мобильных телефонов, радиопередатчиков. Особое значение практическое применение таких теоретических знаний имеет в области медицины, промышленности, техники.

Такое широкое использование объясняется количественным характером науки. Все физические эксперименты опираются на измерения, сравнение свойств изучаемых явлений с имеющимися эталонами. Именно для этой цели в рамках дисциплины развит комплекс измерительных приборов и единиц. Ряд закономерностей является общим для всех существующих материальных систем. Так, например, законы сохранения энергии считаются общими физическими законами.

Науку в целом называют во многих случаях фундаментальной. Это связано, прежде всего, с тем, что прочие дисциплины дают описания, которые, в свою очередь, подчиняются законам физики. Так, в химии изучаются атомы, вещества, образованные из них, и превращения. Но химические свойства тел определяются физическими характеристиками молекул и атомов. Эти свойства описывают такие разделы физики, как электромагнетизм, термодинамика и прочие.

Владимирский областной
промышленно – коммерческий
лицей

р е ф е р а т

Электромагнитные волны

Выполнил:
ученик 11 «Б» класс
Львов Михаил
Проверил:

Владимир 2001г.

План

1. Вступление ……………………………………………………… 3

2. Понятие волна и ее характеристики…………………………… 4

3. Электромагнитные волны……………………………………… 5

4. Экспериментальное доказательство существования
электромагнитных волн………………………………………… 6

5. Плотность потока электромагнитного излучения ……………. 7

6. Изобретение радио …………………………………………….… 9

7. Свойства электромагнитных волн ………………………………10

8. Модуляция и детектирование…………………………………… 10

9. Виды радиоволн и их распространение………………………… 13

Вступление

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. В природе существует два вида волн: механические и электромагнитные. Ме­ханические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распростра­нения, к которым, в частности, от­носятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может су­ществовать в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем ато­мов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при своем распростра­нении ведут себя подобно механическим. Но подобно колебаниям все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. В своей работе я постараюсь рассмотреть причины возникновения электромагнитных волн, их свойства и применение в нашей жизни.

Понятие волна и ее характеристики

Волной называют колебания, распростра­няющиеся в пространстве с течением времени.

Важнейшей ха­рактеристикой волны является ее скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.

При распространении механической волны движе­ние передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии. Ос­новное свойство всех волн незави­симо от их природы состоит в пере­носе ими анергии без переноса вещества. Энергия поступает от источ­ника, возбуждающего колебания на­чала шнура, струны и т. д., и распро­страняется вместе с волной. Через любое поперечное сечение непрерывно течет энергия. Эта энергия слагается из кинети­ческой энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний, при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.

Если заставить конец растянутого резинового шнура колебаться гармонически с опреде­ленной частотой v, то эти колеба­ния начнут распространяться вдоль шнура. Колебания любого участка шнура происходят с той же часто­той и амплитудой, что и колебания конца шнура. Но только эти колеба­ния сдвинуты по фазе друг относи­тельно друга. Подобные волны назы­ваются монохроматическими .

Если сдвиг фаз между колеба­ниями двух точек шнура равен 2п, то эти точки колеблются совершенно одинаково: ведь соs(2лvt+2л) = =соs2п vt . Такие колебания назы­ваются синфазными (происходят в одинаковых фазах).

Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющими­ся в одинаковых фазах, называется длиной волны.

Связь между длиной волны λ, частотой v и скоростью распростра­нения волны c. За один период ко­лебаний волна распространяется на расстояние λ. Поэтому ее скорость определяется формулой

Так как период Т и частота v свя­заны соотношением T = 1 / v

Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний.

Электромагнитные волны

Теперь перейдем к рассмотрению непосредственно электромагнитных волн.

Фунда­ментальные законы природы могут дать гораздо боль­ше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены. Одним из таких относятся открытые Макс­веллом законы электромагнетизма.

Среди бесчисленных, очень инте­ресных и важных следствий, выте­кающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслу­живает особого внимания. Это вы­вод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории близкодействия Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т. д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электро­магнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие области окружающего пространства.

Максвелл математически дока­зал, что скорость распространения этого процесса равна скорости све­та в вакууме.

Пред­ставьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Тогда элек­трическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периоди­чески изменяться. Период этих изме­нений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Переменное элек­трическое поле будет порождать пе­риодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного элек­трического поля уже на большем расстоянии от заряда и т.д.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля ме­няются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее ко­лебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда коле­бания происходят с различными фа­зами.

Направления колеблющихся век­торов напряженности электрическо­го поля и индукции магнитного по­ля перпендикулярны к направлению распространения волны.

Электромагнитная волна является поперечной.

Электромагнитные волны излу­чаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения - главное условие излучения электро­магнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излу­ченной волны тем больше, чем боль­ше ускорение, с которым движется заряд.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их эксперимен­тального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электро­магнитные волны были экспериментально получены Герцем.

Экспериментальное доказательство существования

электромагнитных волн

Электромагнитные волн не видны в отличие от механических, но тогда как же они были обнаружены? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыты Герца.

Электромагнитная волна образу­ется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля при­водит к появлению другого. Как известно, чем быстрее меня­ется со временем магнитная индук­ция, тем больше напряженность воз­никающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний равна 1/ √ LС. От сюда видно, что она будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца.

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число вит­ков в катушке. В конце концов, полу­чится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный кон­тур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает макси­мума (в обычных же цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент вре­мени одинакова.) Электромагнитное поле также охватывает все пространство возле контура.

Герц получал элек­тромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника вы­сокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совер­шает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, дви­жущихся согласованно. В электро­магнитной волне векторы Е и В пер­пендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей че­рез вибратор, а вектор В перпенди­кулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной ин­тенсивностью в направлении, перпен­дикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Электромагнитные волны реги­стрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибра­тор. Под действием переменного электрического поля электромагнит­ной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного ви­братора совпадает с частотой элек­тромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаруживал эти колебания, наблюдав искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другие видам волн.

Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора. Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле с = λ v. Она оказалась приближенно равной скорости света: с = 300 000 км/с. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Плотность потока электромагнитного излучения

Теперь перейдем к рассмотрению свойств и характеристик электромагнитных волн. Одной из характеристик электромагнитных волн является плотность электромагнитного излучения.

Рас­смотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.

Плотностью потока электромагнитного излучения I называет отно­шение электромагнитной энергии W , проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверх­ность площадью S, к произведению площади S на время t.

Плот­ность потока излучения, в СИ выра­жают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

После проведения ряда преобразований мы получаем что I = w c.

т. е. плотность потока излучения равна произведению плотности элек­тромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Мы не раз встречались с идеализацией реаль­ных источников принятие в физике: материаль­ная точка, идеальный газ и т. д. Здесь мы встретимся еще с одним.

Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оце­нивается его действие. Кроме того, предполагается, что такой источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Рассмотрим зависимость плотности потока излучения от расстояния до источ­ника.

Энергия, которую несут с собой электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, переносимая через единичную площадку за единицу времени, т. е. плотность потока из­лучения, уменьшается по мере удаления от источника. Выяснить зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника можно, поместив точечный источник в центр сферы радиусом R . площадь поверхности сферы S= 4 п R^2. Если считать, что источник по всем направлениям за время t излучает энергию W

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обрат­но пропорционально квадрату рас­стояния до источника.

Теперь рассмотрим зависимость плотности потока из­лучения от частоты. Как известно излучение элек­тромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля и магнитная ин­дукция электромагнитной волны про­порциональны ускорению а излучаю­щих частиц. Ускорение при гармо­нических колебаниях пропорцио­нально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорцио­нальны квадрату частоты

Плотность энергии электрическо­го поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного по­ля пропорцио­нальна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электро­магнитного поля равна сумме плот­ностей энергий электрического и маг­нитного полей. Поэтому плотность потока излучения пропорциональна: (E^2+B^2). От сюда получаем, что I пропорциональна w^4.

Плотность потока излучения про­порциональна четвертой степени частоты.

Изобретение радио

Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обыч­ных условиях когерер обладает боль­шим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с дру­гом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере перемен­ный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление коге­рера резко падает (в опытах А. С. По­пова со 100000 до 1000-500 Ом, т. е. в 100-200 раз). Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимую для осуществления беспроволочной связи, А. С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрическо­го звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент при­хода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашечке, но и по коге­реру. С последним встряхиванием когерера аппарат был готов к приему новой волны.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из вы­водов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому кус­ку проволоки, создав первую прием­ную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает про­водящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.

Хотя современные радиоприем­ники очень мало напоминают при­емник А. С. Попова, основные прин­ципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник так­же имеет антенну, в которой прихо­дящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется не­посредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источника­ми энергии, питающими последую­щие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупро­водниковых приборов.

7 мая 1895 г. на заседании Рус­ского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов проде­монстрировал действие своего прибо­ра, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио.

Свойства электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться вол­нами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой ча­стотой. Принятый сигнал после де­тектирования подается на громко­говоритель.

Я не буду описывать проведение всех опытов, а остановлюсь на основных.

1. Диэлектрики способны поглощать электромагнитные волны.

2. Некоторые вещества (например, металл) способны поглощать электромагнитные волны.

3. Электромагнитные волны способны изменять свое направление на границе диэлектрика.

4. Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Это означает, что векторы Е и В электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению ее распространения.

Модуляция и детектирование

С момента изобретения радио Поповым прошло некоторое время, когда люди захотели вместо телеграфных сигналов, состоящих из коротких и длинных сигналов, передавать речь и музыку. Так была изобретена радиотелефонная связь. Рассмотрим основные принципы работы такой связи.

При радиотелефонной связи колебания дав­ления воздуха в звуковой волне пре­вращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти коле­бания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на рас­стояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ пере­дачи неосуществим. Дело в том, что колебания звук новой частоты пред­ставляют собой сравнительно мед­ленные колебания, а электромагнит­ные волны низкой (звуковой) часто­ты почти совсем не излучаются. Для преодоления этого препятствия была разработана модуляция и детектирование рассмотрим их подробно.

Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные коле­бания, интенсивно излучаемые ан­тенной. Незатухающие гармониче­ские колебания высокой частоты вы­рабатывает генератор, например ге­нератор на транзисторе.

Для передачи звука эти высоко­частотные колебания изменяют, или как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, напри­мер, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колеба­ний. Этот способ называют ампли­тудной модуляцией.

график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;

б) гра­фик колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;

в) график модулированных по ам­плитуде колебаний.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контроли­ровать, работает станция или мол­чит. Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Амплитудная модуляция высоко­частотных колебаний достигается специальным воздействием на гене­ратор незатухающих колебаний. В частности, модуляцию можно осуществить, изменяя на колебательном контуре напряжение, создаваемое источником. Чем больше напряжение на контуре генера­тора, тем больше энергии поступает за период от источника в контур. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний в контуре. При уменьше­нии напряжения энергия, поступаю­щая в контур, также уменьшается. Поэтому уменьшается и амплитуда колебаний в контуре.

В самом простом устройстве для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного напряжения дополнительный источник переменного на­пряжения низкой частоты. Этим источником может быть, например, вторичная обмотка трансформатора, если по его первичной обмотке протекает ток звуковой частоты. В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями напряжения на тран­зисторе. Это и означает, что высоко­частотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом.

Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют ча­стотную модуляцию - изменение ча­стоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Ее преиму­ществом является большая устойчи­вость по отношению к помехам.

Детектирование. В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобра­зования сигнала называют детекти­рованием.

Полученный в результате детек­тирования сигнал соответствует то­му звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Принятый при­емником модулированный высокоча­стотный сигнал даже после усиле­ния не способен непосредственно вызвать колебания мембраны теле­фона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вы­звать только высокочастотные коле­бания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необхо­димо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выде­лить сигнал звуковой частоты.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью - детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуум­ный диод) или полупроводниковый диод.

Рассмотрим работу полупровод­никового детектора. Пусть этот при­бор включен в цепь последователь­но с источником модулированных колебаний и нагрузкой. Ток в цепи будет течь преимуще­ственно в одном направлении.

В цепи будет течь пуль­сирующий ток. Этот пульси­рующий ток сглаживается с по­мощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединенный к нагрузке.

Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в кон­денсатор, заряжая его. Разветвле­ние тока уменьшает пульсации то­ка, проходящего через нагрузку. За­то в промежутке между импульса­ми, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через на­грузку.

Поэтому в интервале между им­пульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В резуль­тате этого через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.

Виды радиоволн и их распространение

Мы уже рассмотрели основные свойства электромагнитных волн, их применение в радио, образование радиоволн. Теперь познакомимся с видами радиоволн и их распространением.

Форма и физи­ческие свойства земной поверхно­сти, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн ока­зывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на вы­соте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосфе­рой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается элек­тромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излу­чаемых им.

Проводящая электрический ток, ионосфера отражает радиоволны с длиной волны > 10 м, как обычная металлический пластина. Но способ­ность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени су­ток и времен года.

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность. Это огибание выражено тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможна лишь при длине волн, значительно превышающей 100 м (средние и длинные волны )

Короткие волны (диапазон длин волн от 10 до 100 м) распространя­ются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью корот­ких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Ультракороткие радиоволны (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораб­лями.

Теперь рассмотрим еще одно применение радиоволн. Это радиолокация.

Обнаружение и точное определе­ние местонахождения объектов с по­мощью радиоволн называют радио­локацией. Радиолокационная уста­новка - радиолокатор (или ра­дар) - состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты. Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остро­направленную волну. Острая направленность излуче­ния получается вследствие сложения волн. Антенна устроена так, что вол­ны, посланные каждым из вибрато­ров, при сложении взаимно усили­вают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направле­ниях при сложении волн происхо­дит полное или частичное их взаим­ное гашение.

Отраженная волна улавливается той же излучающей антенной либо другой, тоже остронаправленной приемной антенной.

Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения. Передатчик излучает вол­ны кратковременными импульсами. Длительность каждого импульса со­ставляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами примерно в 1000 раз больше. Во вре­мя пауз принимаются отраженные волны.

Определение расстояния произ­водится путем измерения общего времени прохождения радиоволн до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с=3*10 8 м/с в атмосфе­ре практически постоянна, то R = ct/2.

Для фиксации посланного и отра­женного сигналов используют электронно-лучевую трубку.

Радиоволны используются не то­лько для передачи звука, но и для передачи изображения (телевиде­ние).

Принцип передачи изображений на расстояние состоит в следующем. На передающей станции произво­дится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами моду­лируют затем колебания, вырабаты­ваемые генератором высокой часто­ты. Модулированная электромагнит­ная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике производится обратное преобразо­вание. Высокочастотные модулиро­ванные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение. Для передачи движения используют принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передают десятки раз в се­кунду (в нашем телевидении 50 раз).

Изображение кадра преобразует­ся с помощью передающей вакуум­ной электронной трубки - иконо­скопа в серию электриче­ских сигналов. Кроме иконоскопа, существуют и другие передающие устройства. Внутри иконоскопа рас­положен мозаичный экран, на кото­рый с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжает­ся, причем ее заряд зависит от интен­сивности падающего на ячейку све­та. Этот заряд меняется при попада­нии на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает, на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем дру­гой строчки и т. д. (всего 625 строк).

От того насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в резисторе R . Поэтому напряжение на резисторе изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра.

Такой же сигнал получается в телевизионном приемнике после де­тектирования. Это видеосигнал. Он преобразуется в видимое изображе­ние на экране приемной вакуумной электронной трубки - кинескопа.

Телевизионные радиосигналы мо­гут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн.

Список литературы.

1. Мякишев Г.Я. , Буховцев Б.Б. Физика – 11. М. 1993.

2. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. М. 1970

3. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. т. 2. М. 1981

), описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников - зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458±1, 2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.

В 1888 году теория электромагнитных волн получила экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца . Используя источник высокого напряжения и вибраторы (см. Герца вибратор), Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты по определению скорости распространения электромагнитной волны и ее длины. Экспериментально подтвердилось, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света, что доказывало электромагнитную природу света.

Каждый раз, когда электрический ток изменяет свою частоту или направление, он генерирует электромагнитные волны - колебания электрического и магнитного силовых полей в пространстве. Один из примеров - изменяющийся ток в антенне радиопередатчика, который создает кольца распространяющихся в пространстве радиоволн.

Энергия электромагнитной волны зависит от ее длины - расстояния между двумя соседними «пиками». Чем меньше длина волны, тем выше ее энергия. В порядке убывания своей длины электромагнитные волны подразделяются на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Длина волны гамма-излучения не достигает и одной стомиллиардной метра, в то время как радиоволны могут иметь длину, исчисляющуюся в километрах.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света, а силовые линии их электрического и магнитного полей располагаются под прямым углом друг к другу и к направлению движения волны.

Электромагнитные волны расходятся постепенно расширяющимися кругами от передающей антенны двусторонней радиостанции аналогично тому, как это делают волны, вызванные падением камешка в пруд. Переменный электрический ток в антенне создает волны, состоящие из электрического и магнитного полей.

Схема электромагнитной волны

Электромагнитная волна распространяется прямолинейно, а ее электрическое и магнитное поле перпендикулярны потоку энергии.

Преломление электромагнитных волн

Так же как и свет, все электромагнитные волны преломляются, когда входят в вещество под любым углом, кроме прямого.

Отражение электромагнитных волн

Если электромагнитные волны падают на металлическую параболическую поверхность, они фокусируются в точке.

Рост электромагнитных волн

ложный узор электромагнитных волн, исходящих из передающей антенны, возникает из одиночного колебания электрического тока. Когда ток течет вверх по антенне, электрическое поле (красные линии) направлено сверху вниз, а магнитное поле (зеленые линии) - против часовой стрелки. Если ток изменяет свое направление, то же самое происходит с электрическим и магнитным полями.