Определение электромагнитной волны. Конспект урока "Электромагнитная волна. Свойства 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.

Электромагнитное 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).

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=3·10 8 м/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.

• 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 .

Электромагнитные волны представляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.

Как уже было отмечено выше, существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж.Максвеллом в 1864 году. Он проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он 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.

Высказал гипотезу о существовании и обратного процесса: изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Максвелл впервые описывал динамику новой формы материи - электромагнитного поля, и вывел систему уравнений (уравнений Максвелла), связывающую характеристики электромагнитного поля с его источниками - электрическими зарядами и токами. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Рис.2 а, б иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рисунок 2 - Взаимное превращение электрического и магнитного полей: а) Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла; б) Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчета. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчета, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчета и порождать в этой системе отсчета, кроме электрического, еще и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.

Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис.3. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.

Рисунок 3 - Процесс распространения электромагнитного поля

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, т. е. систему уравнений электромагнитного поля.

Итак, из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов - основных свойств электромагнитных волн.

Существуют электромагнитные волны, т.е. распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.

В природе электрические и магнитные явления выступают как две стороны единого процесса.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. Наличие ускорения - главное условие излучения электромагнитных волн, т.е.

• - всякое изменение магнитного поля создает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис.2а).
• - всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряженности переменного электрического поля, и охватывают их (рис.2б).

Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором «правый винт». Электромагнитные волны поперечны - векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 4).

Рисунок 4 - Поперечные электромагнитные волны

Периодические изменения электрического поля (вектора напряженности Е) порождают изменяющееся магнитное поле (вектор индукции В), которое в свою очередь порождает изменяющееся электрическое поле. Колебания векторов Е и В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны (вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми.

Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, и это ещё раз подтвердило справедливость теории близкодействия.

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.

Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях и твердых средах, но и в вакууме.

Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет собой непрерывное поглощение и переизлучение электромагнитной энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости волны.

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

ДWэм = (wэ + wм)хSДt.

При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.

Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено резонансным поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.

Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).

Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и другие явления.

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 5 мкПа.

Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены выдающимся физиком Московского университета П.Н. Лебедевым в 1900 г. Обнаружение столь малого эффекта потребовало от него незаурядной изобретательности и мастерства в постановке и проведении эксперимента. В 1900 г. ему удалось измерить световое давление на твердые тела, а в 1910 г. - на газы. Основную часть прибора П.И. Лебедева для измерения давления света составляли лёгкие диски диаметром 5 мм, подвешиваемые на упругой нити (рис. 5) внутри откачанного сосуда.

Рисунок 5 - Эксперимент П.И. Лебедева

Диски изготавливались из различных металлов, и их можно было заменять при проведении экспериментов. На диски направлялся свет от сильной электрической дуги. В результате воздействия света на диски нить закручивалась, и диски отклонялись. Результаты опытов П.И. Лебедева полностью согласовывались с электромагнитной теорией Максвелла и имели огромное значение для ее утверждения.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс 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.

Так как давление световой волны очень мало, то оно не играет существенной роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Но в противоположных по масштабам космических и микроскопических системах роль этого эффекта резко возрастает. Так, гравитационное притяжение внешних слоев вещества каждой звезды к центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу. В микромире давление света проявляется, например, в явлении световой отдачи атома. Ее испытывает возбужденный атом при излучении им света.

Световое давление играет значительную роль в астрофизических явлениях, в частности, в образовании кометных хвостов, звезд и т.д. Световое давление достигает значительной величины в местах фокусировки излучения мощных квантовых генераторов света (лазеров). Так, давление сфокусированного лазерного излучения на поверхность тонкой металлической пластинки может привести к её пробою, то есть к появлению отверстия в пластинке. 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.

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.

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».

Скачать с Depositfiles

3.2.2 Распространение электромагнитных волн

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием. Такое излучение называется электромагнитными волнами.

Электромагнитные волны способны распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитные волны распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

Для измерения расстояний используются электромагнитные волны почти всех диапазонов, указанных в табл. 3.1, кроме ультрафиолетового излучения в оптическом диапазоне, коротких радиоволн и ионизирующих излучений.

При измерении расстояний при помощи электромагнитных волн, как на дальность действия, так и на точность сильное влияние оказывают условия распространения. Под этим понимается целый комплекс факторов: свойства самих волн, характер подстилающей поверхности, время суток, метеорологические условия атмосферы и т.д.

Световые волны и волны УКВ диапазона распространяются почти прямолинейно.

Дифракция сантиметровых волн, используемых в радиодальномерах и УКВ системах, настолько мала, что не приводит к огибанию поверхности Земли. Такое огибание в незначительной степени существует только за счет рефракции .

(Дифракция – это явление отклонения от законов геометрической оптики при распространении волн. В частности, это отклонение от прямолинейности распространения светового луча. Рефракция или преломление – это изменение направления распространения электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами).

Максимальная дальность действия систем УКВ диапазона ограничивается пределами прямой видимости . Пределы прямой видимости на физической поверхности Земли зависят от высоты подъема антенн и рельефа местности. Если учитывать только кривизну сферической Земли (без рельефа) и пренебречь рефракцией, то предельное расстояние прямой видимости между двумя пунктами определяются высотами пунктов
и
следующим образом:

где выражается в километрах, а высоты – в метрах.

При учете рефракционного искривления траектории (при нормальной рефракции) коэффициент 3.57 в уравнении (3.29) заменяется на 4.12 для радиоволн, и на 3.83 для оптических волн, т.е. рефракция увеличивает расстояние прямой видимости примерно на 15% для радиоволн, и на 7% для волн оптического диапазона.

В случае, если, например, антенны дальномера и отражателя устанавливаются на обычный деревянный штатив, т.е.
, то расстояние прямой видимости, рассчитанное по формуле (3.29), составит
. Если же антенны будут подняты на высоту
, то расстояние прямой видимости составит уже
.

Для оптических волн, кроме прямой видимости, требуется также наличие оптической видимости (прозрачности) .

Распространение длинных и средних радиоволн имеет специфические особенности. Наиболее существенная особенность – отражение от верхних, сильно ионизированных слоев атмосферы, находящихся на высотах более 60 км.

Это приводит к тому, что в точку приема может попасть не только прямая волна, распространяющаяся вдоль поверхности Земли (поверхностная волна), но и волна, отраженная от ионосферы, — так называемая пространственная волна (рис. 3.11). В зоне встречи поверхностной и пространственной волн происходит их интерференция, из-за чего поверхностная волна, передающая полезный сигнал, получает искажения амплитуды и фазы, и если приемная аппаратура находится в такой зоне, то измерения могут быть весьма затруднены, а часто и невозможны.

Пространственная волна, отраженная от ионосферы, может распространяться на значительно большие расстояния, чем поверхностная волна, для которой форма Земли с ее рельефом создает препятствия. Из-за дифракции эти препятствия могут огибаться поверхностной волной, и дальность ее распространения зависит от поглощающих свойств земной поверхности. Для пространственной волны наблюдается также частичное поглощение ее ионосферой и земной поверхностью при многократном отражении от ионосферных слоев. Поглощение земной поверхностью зависит от длины волны, ее поляризации и электрических характеристик конкретной подстилающей поверхности.

Свойство дальнего распространения пространственной волны при многократном отражении от ионосферы успешно используется в радиосвязи, радиовещании и дальней радионавигации. Однако для радиогеодезических целей использование пространственной волны невозможно , так как геометрия ее прохождения не подвергается строгому учету. Поэтому для точных измерений должна использоваться только поверхностная волна .

Исходя из вышесказанного, для целей геодезических измерений пригодны только волны оптического и УКВ диапазона .

Геодезические дальномеры оптического диапазона волн используются главным образом для измерения расстояний до 10 км.

Геодезические дальномеры радиодиапазона используются для измерения расстояний порядка нескольких десятков километров.

Однако в настоящее время практически все производители геодезических дальномеров прекратили выпуск радиодальномеров, и сосредоточили свои усилия на светодальномерах или электронных тахеометрах, составной частью которых является светодальномер. Такая ситуация объясняется тем, что в практике геодезических работ получили распространение технологии, предоставляемые глобальными спутниковыми навигационными системами, благодаря которым появилась возможность высокоточного определения координат точек земной поверхности. Но именно для решения этой задачи и были предназначены радиодальномеры. Измеренное с помощью радиодальномеров расстояние между точками использовалось затем для вычисления координат определяемой точки. Использование приемников ГНСС позволяет исключить промежуточную операцию по измерению расстояния между точками, а получать сразу же координаты определяемой точки.