С какой скоростью распространяются электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с ко­нечной скоростью,— вытекает из уравне­ний Максвелла (см. §139). Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указывалось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыг­рали опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля дей­ствительно распространяются в виде волн, поведение которых полностью описывает­ся уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбужде­ния электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное элек­трическое поле (ток смещения) или со­ответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источни­ка определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором пере­менное электромагнитное поле создается.

П оэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конден­сатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин кон­денсатора, а также раздвигая их (рис. 225, а, б), совершил переход от за­крытого колебательного контура к откры­тому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стер­жня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебатель­ном контуре переменное электрическое по­ле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225, а), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 225, в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излуче­ния. Колебания в такой системе поддер­живаются за счет источника э.д.с., под­ключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциа­лов, до которой первоначально заряжают­ся обкладки.

Д ля возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к ин­дуктору И (рис.226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало про­бивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры кон­тур размыкался и колебания прекраща­лись. Затем индуктор снова заряжал кон­денсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называе­мым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и из­лучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электро­магнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электриче­ская искра.

Урок №45. Электромагнитные волны. Радиоволны.

Виды электромагнитных волн. Электромагнитные волны, обладая ши­роким диапазоном частот (или длин волн =c/v, где с — скорость электромагнит­ных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и ре­гистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различными видами электромаг­нитных волн довольно условны.

§ Энергия электромагнитных волн. Возможность обнаружения электромаг­нитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей wэл (см. (95.8)) и wм (см. (130.3)) электриче­ского и магнитного полей:

Учитывая выражение (162.4), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент вре­мени одинакова, т. е. wэл = wм. Поэтому

Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде (см. (162.3)), получим модуль плотности потока энергии:

S=wv=EH.

Так как векторы Е и Н взаимно пер­пендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую

систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энер­гии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнит­ной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга:

S = [EH].

Вектор S направлен в сторону рас­пространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу вре­мени через единичную площадку, перпен­дикулярную направлению распростране­ния волны.

Если электромагнитные волны погло­щаются или отражаются телами (эти яв­ления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что элек­тромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромаг­нитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны за­ряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны дейст­вию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излуче­ния, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности со­ставляет примерно 5 мкПа. В исключи­тельно тонких экспериментах, ставших классическими, П. Н. Лебедев в 1899 г. до­казал существование светового давления на твердые тела, а в 1910г.— на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Мак­свелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Существование давления электромаг­нитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механи­ческий импульс. Импульс электромагнит­ного поля

p=W/c,

где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р=mc (поле в ва­кууме распространяется со скоростью с), получим p = mc=W/c, откуда

W = mc 2 . (163.1)

Это соотношение между массой и энергией свободного электромагнитного поля явля­ется универсальным законом природы (см. также §40). Согласно специальной теории относительности, выражение (163.1) имеет общее значение и справед­ливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.

Таким образом, рассмотренные свойст­ва электромагнитных волн, определяемые теорией Максвелла, полностью подтвер­ждаются опытами Герца, Лебедева и вы­водами специальной теории относительно­сти, сыгравшими решающую роль для подтверждения и быстрого признания этой теории.

Скорость электромагнитных волн Как уже указывалось (см. §161), одним из важнейших следствий уравнений Мак­свелла (см. § 139) является существова­ние электромагнитных волн. Можно по­казать, что для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создаю­щих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электро­магнитного поля удовлетворяют волново­му уравнению типа (154.9):

— оператор Лапласа, v — фазовая ско­рость.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некоторую волну. Следовательно, электро­магнитные поля действительно могут су­ществовать в виде электромагнитных волн. Фазовая скорость электромагнитных волн определяется выражением

электрическая и м агнитная постоянные,  и  — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме (при =1 и =1) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как > 1, то скорость распространения электро­магнитных волн в веществе всегда мень­ше, чем в вакууме.

При вычислении скорости распростра­нения электромагнитного поля по формуле (162.3) получается результат, достаточно хорошо совпадающий с эксперименталь­ными данными, если учитывать зависи­мость  и , от частоты. Совпадение же размерного коэффициента в (162.3) со скоростью распространения света в вакуу­ме указывает на глубокую связь между электромагнитными и оптическими явле­ниями, позволившую Максвеллу создать электромагнитную теорию света, согласно которой свет представляет собой электро­магнитные волны.

Playlist:

1.Электрические заряды. Закон сохранения зарядов. Закон Кулона.

Электрическая постоянная.

2.Электростатическое поле. Напряженность поля. Поле точечного заряда

и системы зарядов. Принцип суперпозиции.

3.Применение принципа суперпозиции для расчета полей. Электрическое

поле диполя.

4.Графическое изображение электростатических полей. Поток вектора

напряженности.

5.Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля.

6.Применение теоремы Остроградского-Гаусса для расчета полей.

7.Работа сил электростатического поля при перемещении зарядов.

Циркуляция вектора напряженности.

8.Потенциал и разность потенциалов точек электростатического поля.

Потенциалы полей точечного заряда и системы зарядов.

9.Эквипотенциальные поверхности и их свойства. Связь напряженности

электрического поля с его потенциалом.

10.Электроемкость проводников. Конденсаторы. Вывод формулы емкости

плоского конденсатора. Виды конденсаторов.

11.Энергия системы зарядов и заряженного проводника.

12.Энергия заряженного конденсатора. Энергия и плотность энергии

электростатического поля.

13.Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации и его связь с напряженностью поля.

14.Напряженность электрического поля в диэлектрике. Относительная

диэлектрическая проницаемость и ее связь с диэлектрической

восприимчивостью.

15.Электростатическое поле на границе двух диэлектриков. Вектор

электростатической индукции. Теорема Остроградского-Гаусса для

электростатической индукции.

16.Электрическое поле заряженных проводников. Напряженность поля у

поверхности заряженного проводника.

17.Электрический ток. Условия его существования. Сила и плотность

тока. Единица силы тока в системе СИ.

18.Закон Ома для участка цепи. Электрическое сопротивление

проводников и его зависимость от температуры. Сверхпроводимость. 19.Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Тепловое действие тока и его применение.

20.Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

21. Правила Кирхгофа и их применение для расчета разветвленных

электрических цепей.

22.Закон Ома для замкнутой цепи. Э.д.с. источника тока. Режимы работы источника.

23.Основные положения и опытное обоснование классической

электронной теории электропроводности металлов.

24.Вывод закона Ома по электронной теории.

25.Вывод закона Джоуля-Ленца по электронной теории.

26.Закон Видемана-Франца. Связь между электро и теплопроводностью

металлов и ее объяснение электронной теорией.

27.Термоэлектронная эмиссия и ее применение.

28.Термоэлектрические явления и их применение.

29.Магнитное поле проводников с током. Индукция магнитного поля.

Графическое изображение магнитных полей

30.Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера.

Единицы измерения магнитной индукции.

31.Магнитный поток. Работа перемещения проводника с током в

магнитном поле.

32.Действие магнитного поля на контур с током. Магнитный момент

контура с током.

33.Закон Био-Савара-Лапласса. Напряженность магнитного поля. Магнитная постоянная.

34Применение закона Био-Савара-Лапласса для расчета магнитных полей. 35.Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока и его

применение для расчета магнитных полей.

36.Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея и правило Ленщ

Вывод формулы для э.д.с. индукции из закона сохранения энергии. 37.Магнитное поле движущейся заряженной частицы.

38.Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.

Траектория заряженной частицы в магнитном поле.

39.Электрический ток в витке, движущемся в однородном магнитном

поле. Переменные э.д.с. и токи.

40.Явление самоиндукции. Индуктивность.

41.Влияние индуктивности на величину тока в цепи.

42.Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность.

43.Энергия и плотность энергии магнитного поля.

44.Электромагнитные колебания в колебательном контуре. Период

45.Незатухающие и затухающие колебания в колебательном контуре.

46.Ток смещения. Плотность тока смещения.

47.Электромагнитное поле. Уравнения Максвелла в интегральной форме.

48.Электромагнитные волны. Их энергия и скорость распространения. Виды электромагнитных волн.

Что такое электромагнитная волна?

Название «электромагнитные волны» состоит из двух частей — «электромагнитные» и «волны». Волны» говорит о том, что что-то периодически колеблется вверх и вниз. Добавление слова «электромагнитный» говорит о том, что это «что-то» — электрические и магнитные поля.

Это означает, что электромагнитные волны (также называемые электромагнитным излучением) описывают периодическое колебание электрического и магнитного полей. Поля не колеблются беспорядочно вверх и вниз, а связаны друг с другом так, что электрическое поле перпендикулярно магнитному полю (см. рисунок 1).

Электромагнитная волна

Когда мы помещаем куда-либо положительный или отрицательный электрический заряд, в пространстве вокруг него возникают силы, действующие на другие заряды; например, явление поляризации (разделение электрических зарядов в проводнике). Мы говорим, что электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, и это поле оказывает влияние на другие заряды. Это электрическое поле отвечает за протекание электрического тока.

Если заряд, создающий поле, перемещается, т.е. приближается к одним зарядам и удаляется от других, то действующие силы будут меняться. Из этого следует, что поле будет меняться. Поэтому мы можем иметь дело с полем, постоянным во времени (статическим), или с полем, изменяющимся во времени. Если электрическое поле в проводнике постоянно, то постоянна и сила тока. Если поле меняется, то меняется и электрический ток.

То же самое справедливо и для магнитных сил — они возникают в пространстве вокруг магнита, электромагнита или проводника, в котором течет электрический ток. Это означает, что эти тела являются источниками магнитного поля. Если источники поля неподвижны, а электрический ток в обмотках электромагнита или одиночного проводника имеет постоянное значение, то создаваемое поле будет статическим. Движение источников и изменение силы тока создадут переменное поле.

Вы уже знаете, что изменение положения магнита относительно проводника может вызвать протекание в нем электрического тока. Поскольку для этого потока необходимо электрическое поле, следует, что переменное магнитное поле создает электрическое поле. Вы также знаете, что при протекании электрического тока в проводнике возникает магнитное поле вокруг проводника, и если электрический ток течет то в одну, то в другую сторону, или его интенсивность увеличивается или уменьшается, то магнитное поле, создаваемое этим электрическим током, будет переменным.

Что происходит, когда в каком-либо месте возникает переменное магнитное поле? Сразу же появится переменное электрическое поле. Там не обязательно должен быть проводник. А когда в определенном месте появляется изменяющееся электрическое поле (например, при движении)? Да, вы правы — в этом месте появится переменное магнитное поле. Именно так эти поля переносятся в пространстве.

Деформация поверхности воды распространяется, создавая волну, а сгущение воздуха, вызванное движением струны, передается по воздуху, создавая звуковую волну. В отношении переменных электрических и магнитных полей мы говорим об электромагнитной волне. Во второй половине 19 века теория распространения волн была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом. Известно, что он как-то сказал, что это чрезвычайно красивая теория, которая никогда не будет полезна.

Электромагнитные волны были открыты Генрихом Герцем в 1886 году. Теория Максвелла была подтверждена, но Герц не дожил до рождения радио.

Как видно из вышесказанного, для того чтобы возбудить электромагнитную волну, необходимо где-то индуцировать изменение магнитного или электрического поля. А как узнать, что волна куда-то дошла? Если мы возбудим механическую волну на одном берегу озера, то, когда она достигнет лодки, плывущей по воде на другом берегу, мы заметим, что она начнет подниматься и опускаться. Электромагнитная волна, создаваемая переменными электрическим и магнитным полями, вызывает электрический ток в замкнутой цепи приемника. Наиболее важное различие между обоими типами волн заключается в том, что механическая волна требует материальной среды, в которой она может распространяться. Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.

Свойства электромагнитных волн

Существует ряд свойств, которыми обладают электромагнитные волны. В этом подразделе мы перечислим наиболее важные свойства и их значение.

  • Среда распространения. В то время как механические волны нуждаются в среде для распространения, электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме. Электромагнитные волны могут распространяться не только в вакууме, но и в газах, таких как воздух, в жидкостях, таких как вода, или в твердых телах, таких как стекловолокно. Такое разнообразие сред распространения позволяет использовать электромагнитные волны для многих технологических и нетехнологических применений.
  • Скорость распространения. Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью около c = 3*10 8 м / с. Это также скорость, с которой распространяется свет. Это открытие стало первым указанием на то, что свет является электромагнитным излучением.
  • Тип распространения. Если бы вы посмотрели в направлении электромагнитной волны и увидели, например, колебания электрического поля, вы бы заметили, что электрическое поле колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Поэтому электромагнитные волны являются поперечными волнами. Благодаря этому свойству электромагнитное излучение может быть поляризовано. Магнитное поле всегда перпендикулярно электрическому полю.
  • Цвет. Каждая электромагнитная волна имеет длину волны. Длина волны и частота волны могут быть преобразованы друг в друга (подзаголовок «Формулы»). Определенный цвет соответствует определенной длине волны (следовательно, и определенной частоте). Эта взаимосвязь между длиной волны и цветом иллюстрируется электромагнитным спектром.

Определение электромагнитных волн

Электромагнитные волны – это тип волн, которые состоят из электрического и магнитного поля, распространяющихся через пространство или среду. Они возникают в результате колебаний заряженных частиц, таких как электроны, и могут передавать энергию и информацию на большие расстояния.

Электромагнитные волны могут иметь различные частоты и длины волн, что определяет их свойства и способность проникать через различные материалы. Наиболее известными примерами электромагнитных волн являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Электромагнитные волны обладают рядом характеристик, включая скорость распространения, частоту, длину волны и амплитуду. Они могут быть созданы и использованы в различных технологиях, таких как радио, телевидение, мобильная связь, радар, медицинская диагностика и лечение, а также в научных исследованиях и многих других областях.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет около 299 792 458 метров в секунду, что примерно равно скорости света. Эта скорость обозначается символом “с” и является фундаментальной константой в физике.

Скорость света в вакууме является максимальной скоростью, с которой информация или энергия могут распространяться во вселенной. Она не зависит от частоты или длины волны электромагнитных волн и остается постоянной во всех направлениях.

Это свойство скорости света в вакууме имеет фундаментальное значение в физике и оказывает влияние на множество явлений и технологий. Например, оно определяет время, необходимое для того, чтобы свет достиг цели, и позволяет использовать электромагнитные волны для передачи информации на большие расстояния.

Скорость света в вакууме также является основой для специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, которая утверждает, что ни один объект или информация не может двигаться быстрее скорости света. Это имеет важные последствия для понимания времени, пространства и гравитации.

Электромагнитные волны

Физика

Электромагни́тные во́лны, переменное пространственно-временное электромагнитное поле , распространяющееся в свободном пространстве ( бегущие электромагнитные волны ) или сосредоточенное в ограниченном пространстве ( стоячие электромагнитные волны , являющиеся наложением двух электромагнитных волн с равными амплитудами , бегущих навстречу друг другу).

Существование электромагнитных волн теоретически обосновано Дж. К. Максвеллом в 1865 г. как математическое следствие уравнений Максвелла ; при этом Максвелл установил, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью света , и предположил, что свет как физическое явление представляет собой электромагнитные волны. Экспериментально электромагнитные волны, обладающие предсказанными Максвеллом свойствами, были обнаружены в 1888 г. в опытах Г. Герца , сконструировавшего лабораторные излучатели и приёмники электромагнитных волн. Основываясь на экспериментах Герца, А. С. Попов и Г. Маркони разработали и создали устройства радиосвязи . Первая в мире радиотелеграфная передача была осуществлена А. С. Поповым в 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества ; им был передан текст: «Heinrich Hertz» (Генрих Герц), который был принят в находящемся на расстоянии 250 м соседнем помещении.

Электромагнитные волны могут самоподдерживаться в пространстве, свободном от источников электрического и магнитного полей ( электрических зарядов и электрических токов ), т. к. переменное магнитное поле является источником переменного электрического поля ( электромагнитная индукция ), а переменное электрическое поле (максвелловский ток смещения ) является источником переменного магнитного поля.

В однородной среде без источников напряжённость электрического поля E boldsymbol E E и индукция магнитного поля B boldsymbol B B в электромагнитной волне подчиняются волновым уравнениям , вытекающим из уравнений Максвелла и имеющим вид (в декартовой системе координат Oxyz):

∂ 2 E ∂ x 2 + ∂ 2 E ∂ y 2 + ∂ 2 E ∂ z 2 = 1 v 2 ∂ 2 E ∂ t 2 , ∂ 2 B ∂ x 2 + ∂ 2 B ∂ y 2 + ∂ 2 B ∂ z 2 = 1 v 2 ∂ 2 B ∂ t 2 , ( 1 ) displaystylefrac<partial^2E><partial x^2>+frac<partial^2E><partial y^2>+frac<partial^2E><partial z^2>=fracfrac<partial^2E><partial t^2>, ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; \ \ displaystylefrac<partial^2B><partial x^2>+frac<partial^2B><partial y^2>+frac<partial^2B><partial z^2>=fracfrac<partial^2B><partial t^2>, qquad(1) ∂ x 2 ∂ 2 E ​ + ∂ y 2 ∂ 2 E ​ + ∂ z 2 ∂ 2 E ​ = v 2 1 ​ ∂ t 2 ∂ 2 E ​ , ∂ x 2 ∂ 2 B ​ + ∂ y 2 ∂ 2 B ​ + ∂ z 2 ∂ 2 B ​ = v 2 1 ​ ∂ t 2 ∂ 2 B ​ , ( 1 ) где v v v – фазовая скорость электромагнитной волны: v = c ε μ v=csqrt v = c ε μ

​ ( ε ε ε и μ μ μ – диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость среды соответственно), с с с – скорость света в вакууме, t t t – время. В средах без дисперсии ( ε ε ε и μ μ μ не зависят от частоты электромагнитной волны) фазовая скорость совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны. В дисперсионных средах энергия электромагнитной волны распространяется с групповой скоростью , при этом фазовая скорость такой электромагнитной волны может быть как меньше, так и больше предельной скорости распространения любого физического взаимодействия – скорости света в вакууме.

Максвелл показал, что при своём распространении электромагнитные волны переносят энергию , плотность потока которой определяется вектором Пойнтинга , и импульс . Изменение импульса электромагнитной волны при поглощении или отражении от поверхности создаёт силу, действующую на эту поверхность и обусловливающую давление электромагнитной волны. Давление света на отражающую и поглощающую поверхность, соответствующее теории Максвелла, было впервые экспериментально подтверждено в 1899 г. в опытах П. Н. Лебедева . Утверждение Максвелла о том, что свет является электромагнитными волнами, позволило объяснить ранее установленные законы оптики – законы преломления света , отражения света, полного внутреннего отражения света , поляризации света , формулы Френеля и т. д.

Важным частным решением волновых уравнений (1) является бегущая плоская монохроматическая электромагнитная волна:

E ( r , t ) = E 0 cos ⁡ ( ω t − k r ) , B ( r , t ) = B 0 cos ⁡ ( ω t − k r ) , Eleft(r,tright)=E_0 cos left(omega t-krright), \ Bleft(r,tright)=B_0 cos left(omega t-krright), E ( r , t ) = E 0 ​ cos ( ω t − k r ) , B ( r , t ) = B 0 ​ cos ( ω t − k r ) , где E 0 boldsymbol E_0 E 0 ​ и B 0 boldsymbol B_0 B 0 ​ – амплитуды напряжённости электрического и индукции магнитного полей электромагнитной волны соответственно; ω = 2 π T displaystyleomega=frac<2pi> ω = T 2 π ​ – круговая частота ( T T T – временной период волны); r – радиус-вектор точки наблюдения волны; k – волновой вектор , направление которого в изотропной среде совпадает с направлением распространения электромагнитной волны, а модуль этого вектора – волновое число k = ω v = 2 π λ displaystyle k=frac<omega>=frac<2pi> <lambda>k = v ω ​ = λ 2 π ​ ( v v v и λ λ λ – частота и длина электромагнитной волны соответственно) – пространственный период электромагнитной волны в среде. Плоскими волны называют потому, что поверхности равной фазы, удовлетворяющие уравнению ω t − k r = c o n s t omega t-kr=const ω t − k r = co n s t , являются геометрическими плоскостями; в сферической волне поверхности равной фазы являются концентрическими сферами. Плоская электромагнитная волна является поперечной , в ней векторы E boldsymbol E E и B boldsymbol B B колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях, перпендикулярно волновому вектору k, с которым они образуют правую тройку векторов . Амплитуды электрической и магнитной частей плоской электромагнитной волны связаны соотношением E 0 = v B 0 E_0=vB_0 E 0 ​ = v B 0 ​ . Произвольная электромагнитная волна может быть представлена как результат наложения плоских электромагнитных волн с различными амплитудами, частотами и волновыми векторами (разложение по плоским волнам).

Шкала электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. По длинам волн электромагнитные волны разделяют на диапазоны, связанные с особенностями генерации и детектирования электромагнитных волн в каждом из них: радиоволны , терагерцевое излучение , оптическое излучение ( инфракрасное , видимый свет , ультрафиолетовое ), рентгеновское излучение и гамма-излучение (рисунок).

Терагерцевый диапазон электромагнитных волн (1–30 мкм), расположенный между микроволновым радиодиапазоном и инфракрасным диапазоном длин волн, начал интенсивно осваиваться с 1990-х гг. 20 в. Терагерцевое излучение, как и рентгеновское, обладает проникающей способностью, но является безопасным для здоровья человека. В терагерцевом диапазоне расположены спектры поглощения сложных органических молекул (молекул белков, ДНК ), взрывчатых веществ и др., что позволяет методами неразрушающего контроля определять не только форму и внутреннее строение, но и химический состав исследуемых объектов.

Опубликовано 13 января 2023 г. в 21:43 (GMT+3). Последнее обновление 13 января 2023 г. в 21:43 (GMT+3). Связаться с редакцией

Виды электромагнитных волн и их диапазоны длин

Радиотелескоп

Микроволны.

Микроволны чаще всего ассоциируются с микроволновой печью, и это лишь одно из многих возможных применений. Они производятся специальными электронными трубками. Микроволны легко распространяются по воздуху, даже при неблагоприятных атмосферных условиях (туман, осадки). Именно поэтому они используются в радарах — устройствах, применяемых для определения местоположения. Радары используются в метеорологии, например, для отслеживания дождевых облаков. Микроволны также используются в радио- и спутниковой связи, т.е. между спутником и Землей (телефоны, факсы, передача данных) и между спутниками. Частота, соответствующая микроволнам, также используется в: мобильной телефонии, GPS-навигации, связи Bluetooth и беспроводных компьютерных сетях WLAN.

Помните! Микроволны — это электромагнитные волны, используемые в радарах, спутниковой связи и GPS-навигации.

Инфракрасное излучение.

Инфракрасное излучение испускается всеми телами с температурой выше абсолютного нуля. Источниками инфракрасного излучения являются горячий утюг, лампочка, кожа человека, солнце и т.д. Некоторые термометры работают путем измерения частоты излучения, испускаемого кожей. Поскольку человеческое тело является источником инфракрасного излучения, для наблюдения в ночное время можно использовать камеры ночного видения и тепловизоры. Гадюки наблюдают за окружающей средой таким же образом, поскольку у них есть рецепторы, которые работают как приборы ночного видения.

Поверхности твердых тел и жидкостей нагреваются инфракрасным излучением, поскольку частота волны и частота колебаний молекул твердых тел и жидкостей одинаковы. Инфракрасное излучение не нагревает газы, поэтому астрономы используют это свойство для наблюдения за зарождающимися звездами в туманностях. Инфракрасное излучение также нашло применение в передаче данных — в камерах сотовой связи IRDA и в оптических волокнах. Для считывания компакт-дисков используются лазеры, излучающие свет с длиной волны 650-790 нм.

Инфракрасный снимок

Помните! Инфракрасный свет излучается различными телами, например, лампочками, Солнцем, человеческим телом. Он нагревает твердые вещества и жидкости, на которые падает. Он используется, например, в камерах ночного видения и тепловизорах.

Видимый свет.

Видимый свет, т.е. свет, регистрируемый человеческим зрением, находится в диапазоне от 400 нм до 780 нм. Глаз воспринимает волны различных частот и их комбинации, а мозг интерпретирует их как цвета.

Ультрафиолет (УФ) — это излучение, которое достигает нас вместе с солнечными лучами. Он необходим для выработки витамина D в организме человека, но избыток этого излучения может иметь серьезные последствия. Когда вы загораете, загар возникает под воздействием ультрафиолетового излучения, но иногда кожа обгорает. Длительный загар вызывает повреждение коллагеновых волокон кожи и ускоряет ее старение (образование морщин).

Слишком высокие дозы ультрафиолетового излучения могут привести к необратимым изменениям кожи, вплоть до рака. Поэтому важно защитить себя от этого излучения. Рекомендуется использовать кремы с УФ-фильтрами (чем выше фактор защиты от солнца, тем лучше), которые действительно защищают кожу. Помните также, что ультрафиолетовое излучение включает в себя свет электрической дуги, который образуется при электросварке (мы видим такой свет, например, при сварке трамвайных рельсов). Если смотреть на такую дугу в течение нескольких секунд, это повредит зрению.

Ультрафиолетовое излучение.

Ультрафиолетовое излучение можно использовать для считывания водяных знаков на банкнотах (см. рисунок 4). Его источником являются кварцевые лампы. Ультрафиолет оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы, поэтому его используют в больницах, например, для стерилизации помещений или медицинского оборудования. Ультрафиолетовое излучение также используется в криминалистике для наблюдения биологических следов, например, крови.

Водяные знаки на банкнотах

Помните! Ультрафиолет — это электромагнитная волна с частотой выше, чем у видимого света. Источниками ультрафиолета являются Солнце и кварцевые лампы. Он используется, в частности, для стерилизации больничных палат и в судебной медицине.

Рентгеновское излучение.

Гамма-излучение — это электромагнитная волна с самой высокой частотой и самой короткой длиной волны. Оно гораздо более проникающее, чем рентгеновские лучи, и может свободно проникать через бумагу, картон, алюминий. Но, в тоже время, гамма-излучение отлично поглощается слоем свинца. Источниками этого излучения являются различные радиоактивные элементы. Некоторые из них используются в медицине и радиотерапии.

С какой скоростью распространяются электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рисунок 2.6.1.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Рисунок 2.6.2.

Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Рисунок 2.6.3.

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы и взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: , .

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением , где – частота колебаний электромагнитного поля, .

Скорость электромагнитных волн в вакууме ():

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия , в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия .

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: .

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δ через площадку протечет энергия , равная

Δэм = (э + м)υΔ.

Плотностью потока или интенсивностью называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для э, м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен . Этот вектор называют вектором Пойнтинга .

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где 0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр ().

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно . Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс . Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где эм – объемная плотность электромагнитной энергии, – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами . Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент () которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца . В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Рисунок 2.6.4.

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Рисунок 2.6.5.

Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн

Скорость распространения электромагнитных волн эмпирически определяют, изучая стоячие волны, которые получают, например, в цепи, которая изображена на рис. 1, где выход генератора соединен с проводами линии через конденсаторы. Когда генератор работает, между проводами появляются колебания напряжения, а, значит, существуют колебания электрического поля, то есть возникает электромагнитная волна.

Для понимания об интенсивности колебаний в различных точках линии включают лампы накаливания. В таких опытах можно показать, что стоячие волны в линии появляются только при определенной частоте генератора, когда она совпадает с частотой собственных колебаний линии.

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты

Измеряя расстояния ($triangle x$) между соседними узлами или пучностями в стоячей волне, определяется $frac$ длины волны ($lambda $). При этом, известно, что:

где $nu $ — частота генератора. Измерив $nu $, легко найти скорость распространения электромагнитной волны. Опыты показали, что скорость электромагнитной волны ($v$) совпадает со скоростью света. В воздухе она приблизительно равна $v=c=3cdot ^8frac.$

Вывод скорости распространения электромагнитных волн из теории Максвелла

Раньше, чем электромагнитные волны были получены в экспериментах, Максвелл вычислил скорость этих волн, используя свою теорию поля. Рассмотри плоскую электромагнитную волну (одномерная задача, означающая, что $overrightarrowи overrightarrowзависят только от одной координаты, допустим x$), которая распространяется в однородной среде ($j_x=j_y=j_z=0, при varepsilon =const, mu =const$). В таком случае система уравнений Максвелла в скалярном виде будет записана как:

Исключим из уравнений Максвелла электрическое поле. С этой целью используем формулу, связывающую индукцию магнитного поля и его напряженность:

Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽

и продифференцируем второе уравнение системы (2) по времени, получим:

Первое уравнение системы (2) продифференцируем по $x$, и используем уравнение:

в результате имеем:

Сравним уравнения (4) и (6), запишем:

Уравнение (7) есть волновое уравнение, следовательно, коэффициент, который стоит при $frac<<partial >^2H><partial x^2>$ — квадрат скорости распространения электромагнитной волны:

$c$- скорость света. В вакууме скорость электромагнитных волн будет выражена как:

Теория Максвелла предсказала, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света — этот факт доказывает, что свет имеет электромагнитную природу.

Замечание 1

Основные процессы при распространении волн в проводах происходят не внутри проводов, а в окружающей их среде. Следовательно, если среда вне провода изменится, то скорость электромагнитных волн будет другой, длина волны при неизменной частоте генератора станет другой.

В справедливости формулы (8) легко убедиться на опыте, если часть двухпроводной линии, которая первоначально была в воздухе погрузить в воду. Для воды $mu approx 1, varepsilon >1,$ следовательно, скорость электромагнитных волн в воде меньше, чем в воздухе, значит расстояние между соседними узлами (пучностями) станет меньше.

Следует учитывать, что $mu и varepsilon $ зависят от частоты. Поэтому при нахождении скорости применяя формулу (8) следует использовать их значения, соответствующие частоте колебаний в электромагнитной волне.

Задание: Параллельные провода (рис.2) находятся в некотором веществе, магнитная проницаемость которого равна $1$, диэлектрическая проницаемость не равна $1$. Они посредством индуктивности соединены с генератором. При высокой частоте колебаний $nu $ в системе устанавливаются стоячие электромагнитные волны. Вдоль проводов перемещают газоразрядную трубку $А$, по интенсивности ее свечения определили положения пучностей напряженности электрического поля, расстояние между которыми оказались равны $triangle x$. Какова диэлектрическая проницаемость вещества?

Решение:

Стоячие электромагнитные волны появляются как результат интерференции волн, которые распространяются по двухпроводной линии от генератора в прямом направлении с волнами, которые отражаются концами линии. При высокой частоте электромагнитных колебаний основные процессы, которые связаны с распространением волн, происходят в среде, которая окружает провода.

В соответствии с теорией Максвелла скорость электромагнитных волн в среде равна:

По условию задачи для данного вещества $mu =1$, диэлектрическая проницаемость выразится из (1.1) как:

Скорость электромагнитных волн связана с длинной волны как:

[v=lambda nu left(1.3right).]

Расстояние между соседними пучностями в стоячей волне равно половине длины волны ($triangle x=fraclambda $), в таком случае имеем:

Задание: Какова скорость распространения электромагнитной волны в концентрическом кабеле, в котором пространство между внешним и внутренним проводами заполнено диэлектриком с проницаемостью $varepsilon ?$ Считайте, что потерями в кабеле можно пренебречь.

Решение:

Согласно теории Максвелла, скорость распространения электромагнитных волн в веществе равна:

Магнитную проницаемость среды можно считать равной единице, тогда выражение (2.1) перепишем в виде:

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий