Электромагнитные волны

Английский ученый Дж. Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея и других ученых высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме - электромагнитных волн.

По представлениям Максвелла, при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Этот процесс и представляет собой процесс распространения электромагнитных волн.

Поскольку электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме, должно быть возможным распространение электромагнитных волн, как в веществе, так и в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна была быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускорение движения заряженных частиц. Изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение магнитного поля происходит при изменении скорости движения заряженных частиц, т. е. при укоренном движении.

Впервые получил электромагнитные волны Г. Герц, использовав для этого высокочастотный искровой разрядник (<<вибратор Герца>>). Герц опытным путём определил также скорость распространения электромагнитных волн. Она совпала с теоретически рассчитанным значением скорости электромагнитных волн, полученным Максвеллом.

Простейшие электромагнитные волны - это волны, в которых электрические и магнитные поля совершают синхронные гармонические колебания. При этом такие колебания происходят во взаимно перпендикулярных областях.

Электромагнитные волны - это процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные колебания - это совокупность меняющихся по напряженности электрических и магнитных полей, для которой наблюдаются периодические изменения заряда, силы тока и напряжения и других величин.

Простейшей системой, в которой могут возникнуть и существовать электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур - это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора.

Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток. Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не сразу прекратится из-за явления самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону, и позволит перезарядиться конденсатору. После этого процесс повторится, только ток будет течь в обратном направлении. Таким образом , в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (Wэ = CU2/2 )в энергию магнитного поля катушки с током (Wм = LI2/2 ), и наоборот.

Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре зависит только от индуктивности катушки и емкости конденсатора, его можно найти по формуле Томпсона T = 2PI√(LC)

Частота и период колебаний связаны обратно пропорциональной зависимостью: ν=1/Τ

Распространение электромагнитных волн

Электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн. Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При этом от поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью. При переходе из одной среды в другую электромагнитные волны преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде.

Дифракция электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция - это явление наложения когерентных волн, в результате которого волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах ослабляют или гасят. Для электромагнитных волн наблюдается явление дисперсии - зависимость показателя преломления среды от частоты электромагнитных волн.

Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух металлических решеток показывают, что эти волны являются поперечными. Поскольку процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях, то при распространении электромагнитной волны вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля будут перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой.

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны или связанной с ней частотой волны. Эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами электродинамики, а во втором - - - квантовыми законами.

Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе. Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приема волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ. Разделение электромагнитных волн по частотам дает шкалу электромагнитных волн. Она включает в себя радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма - излучения. Свойства электромагнитных волн зависят от их частоты.

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма - излучение изучается в квантовой и ядерной физике.

Волны звуковых частот возникают в диапазоне от 0 до 2x10⁴ Гц. Источником волн звуковых частот является переменный ток соответствующей частоты.

Радиоволны - это диапазон электромагнитных волн, длины которых превосходят 0,1 мм. Радиоволны делятся на:

- Сверхдлинные волны с длиной волны больше 10 км (частота меньше 3x104 Гц);

- Длинные волны - в интервале длин от 10 до 1 км (их частоте соответствует диапазон 3x104 Гц - 3x105 Гц);

- Средние волны - в интервале длин от 1 км до 100 м (частота в диапазоне 3x105 Гц - 3x106 Гц);

- Короткие волны - в интервале длин волн от 100 до 10 м (частота в диапазоне 3x106 Гц - 3x107 Гц);

- Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10 м (их частота больше 3x107 Гц). Ультракороткие волны в свою очередь делятся на метровые; сантиметровые; миллиметровые; субмиллиметровые или микрометровые волны.

- Волны с длиной волны меньше, чем 1 м называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот - СВЧ-волны. Возникают в диапазоне частот

10⁹-3x10¹¹Гц. Источником СВЧ излучения - изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества. Это излучение используют для космической связи, в бытовых микроволновых СВЧ-печах.

Инфракрасное излучение ( ИК ) занимает частотный диапазон 3x10¹¹ - 3,85x10¹⁴ Гц. Источником инфракрасного излучения являются колебания и вращения молекул вещества. ИК-излучения позволяют измерять температуру различных объектов , используются в биноклях ночного видения , для дистанционного управления телевизором и видеомагнитофоном.

Инфракрасное, световое и ультрафиолетовое излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования практического применения. Для этих целей применяют линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов.

Оптическая часть спектра занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 2x10-6 м до 1x10-8 м. Верхняя граница электромагнитных волн оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолетового диапазона.

Свет представляет собой видимый участок спектра электромагнитных волн, длины волн которых занимают интервал от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Каждой спектральной составляющей оптического излучения может быть поставлен в соответствие определенный цвет. Окраска спектральных составляющих оптического излучения определяется их длиной волны. Цвет излучения изменяется по мере уменьшения его длины волны следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Рентгеновское излучение возникает в диапазоне частот 3x10¹⁶-3x10²⁰ Гц. Источником рентгеновского излучения является изменение состояния электронов внутренних оболочек атомов или молекул ,а также ускоренно движущиеся свободные электроны. Рентгеновское излучение применяется в рентгеноструктурном анализе, при изучении структуры молекул, обнаружении дефектов в образцах , в медицине.

Гамма - излучения - самое коротковолновое электромагнитное излучение, занимающее весь диапазон частот V > 3x10²⁰ Гц. Источником гамма - излучения является изменение энергетического состояния атомного ядра, а также ускорение свободных заряженных частиц.

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства электромагнитных волн. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц - электронов, а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Рентгеновское излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны от 50 нм до 0,001 нм, что соответствует энергии квантов от 20 эВ до 1 МэВ.

Гамма-излучение является следствием явлений, происходящих внутри атомных ядер, а также результатом некоторых ядерных реакций. Граница между рентгеновским и гамма излучением определяется условно по величине кванта энергии, соответствующего данной частоте излучения. Гамма излучение составляют электромагнитные волны меньше 10-2 нм, что соответствует энергии квантов больше 0,1 МэВ.

Применение радиоволн

Возможное практическое применение радиоволн - установление связи без проводов (радио). Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым. Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если обкладки конденсатора <<развернуть>> и удалить на противоположные концы катушки, то образуется система, которая называется открытым колебательным контуром.

( Рис 2) (переход от закрытого контура к открытому, путем раздвигания пластин конденсатора)

Примерно такая конструкция и была использована Герцем для получения электромагнитных волн. В действительности открытый контур состоит из катушки и длинного провода - антенны. Энергия излучаемых электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожна мала. Поэтому для осуществления радио и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяются по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс - детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые высокочастотные колебания.

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов впервые продемонстрировал 7 мая 1895 г. Российский ученый А. С. Попов (1859-1906). Им же была изобретена первая приемная антенна. Приемник Попова состоял из антенны, когерера, электромагнитного реле, электрического звонка и источника постоянного напряжения.

При обычных условиях сопротивление когерера достаточно велико из-за плохого контакта между мелкими металлическими частицами. Под действием переменного электромагнитного поля высокой частоты на антенну в когерере возникают электрические <<микроразряды>> между металлическими частицами. Это вызывает нагревание металлических опилок, концы соседних частиц слипаются, сопротивление когерера резко уменьшается, что приводит к резкому возрастанию силы тока в цепи и в катушке электромагнитного реле. Вследствие этого реле срабатывает и включает электрический звонок. Таким образом регистрируются принятые антенной радиосигналы. Удар молоточка звонка по когереру встряхивает опилки возвращает их в исходное состояние.

Независимо от А. С. Попова в 1896 г. Радиоприемник изобрел итальянский инженер Г. Маркони (1874-1937).

Принципы радиотелефонной связи

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Но эти колебания имеют низкую частоту и подавать их сразу на антенну не имеет смысла, т. к. они излучаться практически не будут. Хорошо излучаются лишь волны высокой частоты. Поэтому для передачи звуковой информации используют высокочастотные колебания, у которых какой-либо параметр изменяется в соответствии со звуковыми колебаниями.

Изменение амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала, называется амплитудной модуляцией. Амплитудную модуляцию высокочастотных колебаний в радиопередатчике осуществляют с помощью последовательного включения с колебательным контуром генератора незатухающих высокочастотных колебаний вторичной обмотки трансформатора, на первичную обмотку которого подается переменное напряжение звуковой частоты.

Принцип радиотелефонной связи состоит в следующем. Возникающие в радиопередатчике модулированные колебания высокой частоты создают в передающей антенне переменный ток, который порождает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле. Оно, распространяясь в виде электромагнитной волны, достигает приемной антенны и вызывает в ней вынужденные колебания той же частоты, на которой работает передатчик. Затем колебания низкой частоты отделяются от принятых высокочастотных колебаний и подаются на телефоны.

Простейший радиоприемник состоит из соединенного с антенной колебательного контура, заземления, детектора, конденсатора и телефонных наушников.

Антенна нужна для приема модулированных электромагнитных волн, приходящих от радиостанций. Эти волны создают в антенне вынужденные электрические колебания высокой частоты.

Колебательный контур с конденсатором переменной емкости необходим для выделения из множества принимаемых антенной сигналов одного, нужного. Меняя емкость конденсатора в контуре, можно добиться совпадения собственной частоты контура с нужной нам частотой волны. Вследствие резонанса амплитуда вынужденных колебаний напряжения данной частоты резко возрастает, и нужный сигнал будет выделен. )

Детектор нужен для демодуляции. Демодуляцией, или детектированием называют процесс выделения из модулированных колебаний высокой частоты низкочастотных колебаний. С помощью детектора, который пропускает ток только в одном направлении, из высокочастотных модулированных колебаний получают пульсирующий ток. Затем пульсации этого тока сглаживаются с помощью конденсатора постоянной емкости, который играет роль фильтра. В моменты времени. Когда диод пропускает ток. Часть его проходит через телефон, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его. Когда же диод заперт, конденсатор разряжается, и ток через телефон продолжает идти в прежнем направлении. В результате через телефон будет идти переменный ток звуковой частоты. Заземление превращает проводящую поверхность Земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает деятельность приема.

С помощью радио осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображений предметов. Это применяется в телевидении, интернет - связи.

Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играют радиолокационные средства связи. В основе радиолокации лежит свойство отражение радиоволн от проводящих тел.

Всё пространство вокруг насквозь пронизано электромагнитным излучением Солнца, окружающие нас тела, антенны радиостанций, телевизионных передатчиков, сотовые телефоны испускают электромагнитные волны.