Ювелирное обозрение

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии. Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду…»

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

∇E = 4πρ	Закон Кулона
∇B = 0&	магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/c(δB/δt)	закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt)	Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B])	Сила Лоренца

Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал). А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.

Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».

Физика Пройдите тест по явлению ЭМИ!

Пройдите тест по природе света! Электродинамика Магнитное поле Взаимодействие токов. Магнитное поле.

Магнитная индукция. Вихревое поле.

None Электромагнитная индукция. Открытие ЭМИ. Магнитный поток.

None Магнитные свойства вещества.

None Динамика колебательного движения. Энергия колебательного движения.

None Электромагнитные колебания Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур.

None Электрический резонанс. Мощность в цепи с активным сопротивлением. Генерирование электрической энергии.

Трансформаторы. Производство, передача и использование электрической энергии.

Механические волны Механические волны. Длина волны. Скорость волны. Свойства волн.

None Электромагнитные волны Электромагнитные волны. Экспериментальное обнаружение и свойства электромагнитных волн.

None Распространение радиоволн. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи.

Оптика Геометрическая оптика Развитие взглядов на природу света.

None Принцип Гюйгенса и Ферма. Закон отражения. Закон преломления света. Полное отражение.

None Линза Линза. Формула тонкой линзы Построение изображений, даваемой линзой.

Оптические приборы Волновая оптика Скорость света Дисперсия света. Интерференция света Дифракция света. Дифракционная решётка Поляризация светаОсновы теории относительности Законы электродинамики и принцип относительности Постулаты теории относительности. Релятивисткой закон сложения скоростей Зависимость массы тела от скорости его движения. Связь между массой и энергиейОсновы квантовой физики Излучения и спектры Виды излучений. Источники света Спектры и спектральный анализ Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Шкала электромагнитных излучений Световые кванты Физические истоки квантовой теории Теория фотоэффекта. Применение фотоэффекта Фотоны. Давление света. Гипотеза де Бройля Атомная физика Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору Атом водорода в квантовой механике Вынужденное излучение света. Лазеры Открытие радиоактивности. Альфа-, Бета-, гамма- излучения Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений Радиоактивные превращения Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Изотопы Ядерная физика Открытие нейтрона. Состав ядра атома Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные спектры Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии Получение радиоактивных изотопов и их применение. Биологическое действие радиоактивных излучений Физика элементарных частиц Стандартная модель элементарных частиц Открытие позитрона. Античастицы Современная физическая картина мира Современная физическая картина мираСтроение Вселенной Строение Вселенной Солнечная система Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд Наша галактика и другие галактики Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов «Красное смещение» в спектрах галактик Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактикМедиаматериалыМагнитное полеДисперсия светаВиды излучений и спектрыЗагадки спектраИнфракрасное и ультрафиолетовое излучение

Рассмотрим колебательный контур. При электромагнитных колебаниях заряд на пластинах конденсатора периодически то увеличивается, то уменьшается. Следовательно, электрическое поле, существующее между пластинами, тоже периодически изменяется: услиливается и ослабевает. С таким же периодом, как и изменение заряда на пластинах конденсатора, изменяется и магнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности.

Но не следует думать, что между пластинами конденсатора существует только электрическое поле, а вокруг катушки индуктивности – только магнитное. В 1864 году английский ученый Д. Максвелл создал теорию, утверждающую, что электрическое поле и магнитное поле – лишь частные проявления единого электромагнитного поля.

Они наблюдаются «по одиночке» лишь в том случае, если каждое из них не изменяется с течением времени. А поскольку электрическое поле между пластинами конденсатора непостоянно, как непостоянно и магнитное поле вокруг катушки индуктивности, то в пространстве вокруг колебательного контура обязательно существует переменное электромагнитное поле.

Вообразим, что пластины конденсатора постепенно отодвигают друг от друга (см. схему). При этом электромагнитное поле, существовавшее между пластинами, «выходит» в окружающее пространство. Несмотря на то, что поле по-прежнему создается электронами, движущимися от пластины к пластине, их наличие является уже необязательным. Поэтому провода, отходящие от катушки, превращаются в антенну – устройство для излучения (или приема) электромагнитных волн.

Дж. Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. В пространстве, где существует переменное магнитное поле, возбуждается переменное электрическое поле, и наоборот.

Электромагнитная волнаЭлектромагнитное поле – один из видов материи, характеризуемый наличием электрического и магнитного полей, связанных непрерывным взаимным превращением. Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

График электромагнитной волны.

Эти волны излучаются колеблющимися заряженными частицами, которые при этом движутся в проводнике с ускорением. При движении заряда в проводнике создается переменное электрическое поле, которое порождает переменное магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызывает появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с течением времени, называется электромагнитной волной.

Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме или любом другом веществе. Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света c=3·10м/с. В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Электромагнитная волна переносит энергию.

Электромагнитная волна обладает следующими основными свойствами: распространяется прямолинейно, она способна преломляться, отражаться, ей присущи явления дифракции, интерференции, поляризации. Всеми этими свойствами обладают световые волны, занимающие в шкале электромагнитных излучений соответствующий диапазон длин волн.

Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной. Посмотрев на шкалу электромагнитных волн с указанием длин волн и частот различных излучений, мы различим 7 диапазонов: низкочастотные излучения, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

Шкала электромагнитных волн.

• Низкочастотные волны. Источники излучения: токи высокой частоты, генератор переменного тока, электрические машины. Применяются для плавки и закалки металлов, изготовление постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.
• Радиоволны возникают в антеннах радио- и телевизионных станций, мобильных телефонах, радарах и т. д. Применяются в радиосвязи, телевидении, радиолокации.
• Инфракрасные волны излучают все нагретые тела. Применение: плавка, резка, сварка тугоплавких металлов с помощью лазеров, фотографирование в тумане и темноте, сушка древесины, фруктов и ягод, приборы ночного видения.
• Видимое излучение. Источники — Солнце, электрическая и люминесцентная лампа, электрическая дуга,лазер. Применяется: освещение, фотоэффект, голография.
• Ультрафиолетовые излучение. Источники: Солнце, космос, газоразрядная (кварцевая) лампа, лазер. Оно способно убивать болезнетворные бактерии. Применяется для закаливания живых организмов.
• Рентгеновское излучение. Источник: солнечная корона, трубка Рентгена. Применяется в медицине для диагностики и лечения заболеваний (рентгенография), в технике для контроля внутренних структур деталей, сварных швов (дефектоскопия).
• Гамма-излучение. Источники: космос, радиоактивные распад. Применяется в промышленности (дефектоскопия), в медицине (терапия и диагностика), в исследовании ядерных процессов, в военном деле.

«Физика – 11 класс»

Электромагнитная волна образуется в результате взаимной связи переменных электрических и магнитных полей, т.е. изменение одного поля приводит к появлению другого.
Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля (и наоборот).

Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.
Именно при этом условии напряженность электрического поля

будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость С контура.

Открытый колебательный контур. Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн.
В обычном контуре (его можно назвать закрытым) почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора.
Вдали от контура электромагнитного поля практически нет.
Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо 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? gотому соответствующая им частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на его 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.
Электромагнитное поле охватывает все пространство вблизи контура.

Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так.
Провод разрезали посредине с таким расчетом, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым.
Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов.
Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра, цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания.

Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам:
во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления;
во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию.
После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала.

В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или генератора другого типа.

Опыты Герца

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 перпендикулярен этой плоскости.
Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора.
Вдоль этой 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 большей амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.
Герц обнаружил эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.

Ученый не только получил электромагнитные волны, но и открыл, что они ведут себя подобно другим видам волн.
В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и сложение волн.
При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуются максимумы и минимумы амплитуды колебаний — так называемая интерференционная картина.
Если перемещать резонатор, можно найти положения максимумов и определить длину волны.

Скорость электромагнитных волн

В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров.
Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ = λv.
Она оказалась приближенно равной скорости света: c ≈ 300 000 км/с.

Опытами Герца были блестяще подтверждены предсказания Максвелла.

Итак,
для излучения электромагнитных волн нужно создать электромагнитные колебания высокой частоты в открытом колебательном контуре.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные волны. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Физика > Создание электромагнитных волн

Характеристика и распространение электромагнитных волн. Узнайте, как появляются электромагнитные волны, длина, частота и скорость распространения, схема.

Электромагнитные волны – комбинация электрических и магнитных волн, сформированных перемещающимися зарядами.

Задача обучения

• Разобраться в самопроизведении электромагнитных волн.

Основные пункты

• Электромагнитные волны представлены электрическим и магнитным полями.
• Волны испытывают колебания в перпендикулярных плоскостях и пребывают в фазе.
• Их формирование начинается с осциллирующей заряженной частички.
• Пребывая в движении, электрические и магнитные поля способны на самопроизведение.

Термины

• Электромагнитная волна – комбинация электрических и магнитных полей.
• Фаза – начало волны в соответствующем цикле.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны – разновидность энергии, создаваемая перемещающимися частичками с зарядами. Когда они распространяются в пространстве, то напоминают волну и обладают осциллирующим компонентом. Волны осциллируются перпендикулярно и фазе друг с другом. Ниже представлена схема распространения электромагнитной волны.

Это самораспространяющаяся поперечная волна осциллирующих электрических и магнитных полей. Направленность электрического отмечена синим, а магнитного – красным. Волна движется в сторону х. Отметьте, что оба поля пребывают в фазе

Формирование электромагнитных волн начинается с заряженной частички. Она порождает электрическое поле. При ускорении частичка вызывает колебание в электрическом поле и создает магнитное.

Если оба поля пребывают в движении, то зависят от времени и перемены в одном поле и создают другое. То есть, осциллирующееся в качестве временной функции электрическое поле будет формировать магнитное и наоборот.

Электромагнитные длины волн распространены везде и активно используются в современных технологиях: радио, беспроводная телефонная связь, сеть, радары, микроволновки и даже пульт от ворот гаража.

Все источники электромагнитных волн основываются на простом принципе транспортировки зарядов. Если присоединить монетку с клеммами батарейки на 9 В, то вы создадите электромагнитные волны. Выявить их поможет антенна радио.

“>