Физика
Тема 13: Электромагнитные явления. ПовторениеУрок 9: Электромагнитные волны
- Видео
- Тренажер
- Теория
Вступление
Переоценить значение электромагнитных волн в плане их применения в работе современной техники практически невозможно.
Области применения:
- Радиопередача
- Телевещание
- Мобильная связь
- Wi-fi и Bluetooth
- Микроволновая печь
Этот список можно было продолжать, однако в этом нет особой необходимости, ведь даже ту гамму красок, которую мы видим вокруг нас, наши глаза воспринимают благодаря чувствительности к определенному диапазону электромагнитных волн, которые принято называть видимым светом.
Стоит отметить, что, несмотря на всепоглощающее использование передачи электромагнитных волн, эта технология вошла в жизнь человечества не так давно (по меркам классической науки).
Генрих Герц в 1888 году экспериментально доказал наличие электромагнитных волн, хотя до этого оно было предсказано теоретически Джеймсом Максвеллом.
Из теории Максвелла следовало, что изменяющееся электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.
Волны – возмущения, которые распространяются в пространстве, удаляясь от места их возникновения.
Основные положения теории Максвелла
- Они могут распространяться без наличия какой-либо среды, т. е. в вакууме.
- В вакууме они распространяются со скоростью света: с= 300 000 км/с.
- Электромагнитная волна является поперечной.
Прокомментируем
1. Что касается распространения в вакууме – это принципиально отличает электромагнитные волны от механических. Например, для распространения звуковых волн обязательно необходима какая-либо среда.
Принцип распространения звуковых волн
При распространении звука механические колебания передаются от одних частиц к другим. А что же может создавать колебания при отсутствии какой-либо среды?
Положительная полуволна создает уплотнение частиц среды, а отрицательная – разрежение (рис. 1).
Рис. 1. Уплотнение и разрежение среды
Электромагнитная волна – система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.
Силовые характеристики электрического и магнитного полей
Магнитная индукция, 
– силовая характеристика магнитного поля.
[B]= Тл = 
Напряжённость эл. поля, 
– силовая характеристика электрического поля.
Показывает так же, как и магнитная индукция, с какой силой поле действует на заряд (при условии, что заряд не покоящийся).
[Е]= 
=
Изменение векторов силовых характеристик электромагнитной волны
Под тем, что в электромагнитной волне меняются электрическое и магнитное поля, следует понимать, что изменяется по значению и направления вектора напряженности и индукции .
Рис. 2. Векторы, характеризующие магнитную волну
2. Что касается положения о скорости распространения электромагнитных волн, стоит отметить, что измерена она была еще задолго до выдвижения гипотез Максвелла. Однако на то время было известно, что это только скорость света.
3. Поперечная волна – волна, направление распространения которой перпендикулярно направлению колебаний.
Электромагнитная волна
Исходя из всех положений теории Максвелла, можно увидеть на рисунке условное обозначение векторов, задающих любую электромагнитную волну.
Он показывает направление ее распространения в пространстве (рис. 3).
Рис. 3. Вектор скорости волны
Обратите внимание, что направление колебаний векторов и перпендикулярно, что легко доказывается взаимным расположением линии переменного магнитного поля и линией вихревого электрического поля (рис. 4).
Рис. 4. Расположение линий магнитного и электрического поля
Посмотрим на изображение и убедимся, что они перпендикулярны (рис. 5)
Рис. 5. Перпендикулярность силовых линий
Перпендикулярность векторов индукции и напряженности к вектору скорости показывает, что электромагнитная волна действительно является поперечной (рис. 6).
Рис. 6. Поперечная электромагнитная волна
Еще раз отметим, что колебания определяют векторы и , а скорость волны при этом не изменяется.
Как для механических, так и для электромагнитных волн имеет смысл такой параметр, как длина волны.
Длина волны
Длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду колебаний (рис. 7).
Рис. 7. Длина волны
Вычисление длины волны
= с
= 
с – скорость света в вакууме, с 
Т – период колебаний электромагнитной волны
v – частота колебаний электромагнитной волны
Задача на работу с формулой вычисления волны
Рассмотрим практическую задачу вычисления двух взаимосвязанных параметров электромагнитной волны – частоты и длины волны.
На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?
Дано: λ = 600 м
Найти: v – ?
Решение: 
= 
→ v = 
Вспомним, что речь идет об электромагнитной волне и нам известна ее скорость в вакууме с 
. Отметим, что в воздухе она примерно равна значению в вакууме.
v = 
= 0,5 * 
Гц = 0,5 МГц
Ответ: 0,5 МГц
Частота и длина волны являются взаимосвязанными величинами и одновременно самыми применимыми параметрами для описания электромагнитных волн в технике.
Принцип радиолокации
Самыми известными сферами применения электромагнитных волн в технике являются радиопередача и радиолокация.
Радиолокация – определение расстояния до преграды или какого-нибудь тела, основанное на явлении отражения электромагнитной волны от поверхности.
В радиолокации используется явление отражения радиоволн от металлических объектов, которые больше длины волны излучения.
Например: военные таким образом производят радиолокацию самолетов противника (рис. 8).
Рис. 8. Радиолокация самолетов
Учитывая, что скорость электромагнитных волн известна и постоянна и то, что мы можем замерять время между ее отправкой и получением после отображения от объекта, мы можем записать формулу определения расстояния до этого объекта в следующем виде: 
, где
с (как мы знаем, это скорость света в вакууме, которая примерно такая же, как и в воздухе).
(время между отправкой и получением электромагнитной волны).
Деление на 2 обозначает, что радиоволна проходит расстояние до объекта и обратно.
Рис. 9. Частота в радиоприемнике
Например: настройка частоты в радиоприемнике (рис. 9).
Вибратор Герца
Между тем, как Максвелл вывел свою теорию об электромагнитных волнах и тем, что Герц доказал это на практике, прошло более 20 лет.
Герц использовал прибор, который впоследствии получил название вибратор Герца (рис. 10).
Рис. 10. Вибратор Герца
Он представлял собой обыкновенную антенну, разделенную пополам, на которую подавалось высокое напряжение. В результате электрического пробоя между двумя частями антенны в ней возникали высокочастотные магнитные колебания, которые излучали в пространство электромагнитные волны. Они регистрировались аналогично устроенной антенной в виде такого же электрического пробоя между ее частями. Эксперимент доказал наличие электромагнитной волны в пространстве (рис. 11).
Рис. 11. Иллюстрация к эксперименту
Шкала электромагнитных волн
Рис. 12. Шкала электромагнитных волн
Каждый из этих диапазонов характеризируется своими свойствами и сферой технического применения (рис. 13).
Рис. 13. Свойства и сфера технического применения волн
Шкала электромагнитных излучений и свойства её диапазонов
Радиоволны являются самым низкочастотным излучением из всех диапазонов и используются для передачи информации, т. е. в радио, телевидении и мобильной связи.
Инфракрасное излучение является тепловым излучением. В технике на принципе улавливания инфракрасного излучения предметов основан принцип работы приборов ночного видения и тепловизора.
Видимое излучение – это то излучение, свет которого ощущают наш органы зрения (т. е. глаза). Чувствительность наших глаз позволяет разделять видимый свет на различные цвета в зависимости от его частоты.
Ультрафиолетовое излучение – отношение влияния на человека является неоднозначным и зависит от его интенсивности. В малых дозах оно является полезным: из-за него возникает загар и в коже вырабатывается витамин D. Однако известно, что при избыточном пребывании под летним солнцем возникают опасности ожогов кожи и развития ее заболевания. В технике ультрафиолетовое излучение используется при определении подлинности ценных бумаг и денег, а также в технологиях обеззараживания воды и воздуха.
Рентгеновское излучение. На его излучении основаны методики диагностики организма, такие как рентгенография и флюорография. Известный факт, что относительно безопасным такое излучение является только в малых дозах. Поэтому количество рентгеновских обследований в год отслеживается в медкарте.
y -излучение является продуктом протекания некоторых ядерных реакций. Такое излучение крайне опасно для живых организмов и может вызвать у человека развитие лучевой болезни при излишнем облучении.
Заключение
На сегодняшнем уроке мы рассмотрели теоретические предположения о природе и свойствах электромагнитных волн. Узнали о возможностях графического представления электромагнитных волн и их классификации.
Список литературы
- Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования.
- Яворский Б. М., Пинский А. А., Основы физики, т. 2., – М. Физматлит., 2003.
- Элементарный учебник физики. Под ред. Г. С. Ландсберга, Т. 3. – М., 1974.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «physics.ru» (Источник)
- Интернет-портал «femto.com.ua» (Источник)
- Интернет-портал «b-i-o-n.ru» (Источник)
Домашнее задание
- Что такое волна? При каком условии возможно распространение волны?
- В каких средах могут возникать и распространяться поперечные волны?
- Как связаны между собой скорость, длина волны и период колебаний частиц в волне?
