Какие характеристики электромагнитного поля периодически изменяются в бегущей электромагнитной волне

voprosi

. Какие характеристики поля периодически изменяются в бегущей электромагнитной волне?

Свет, падая на границу раздела двух сред, испытывает полное внутреннее отражение. Между показателями преломления сред и скоростями света и имеют место соотношения: n1>n2; v1<v2;

Угол падения луча света на зеркальную поверхность  = 20. Угол между отраженным лучом и зеркальной поверхностью равен: 70 0

Свет преломляясь, переходит из воздуха в жидкость. Угол падения равен  угол преломления . Скорость света  в жидкости определяется соотношением

При переходе световой волны длиной λ₀из вакуума в среду с показателем преломления n частота волны ν изменяется по закону: ν=const

При переходе световой волны длиной λ₀из вакуума в среду с показателем преломления n длина волны изменяется по закону:

Абсолютный показатель преломления среды выражается соотношением:

Две световые волны, распространяясь в различных средах с показателями преломления n₁ и n_2, проходят геометрический путь и взаимодействуют в одной точке пространства. Оптическая разность хода волн  определяется соотношением:

Оптическая разность хода  и разность фаз  взаимодействующих волн связаны соотношением:  = … (₀– длина волны в вакууме)

. Фаза плоской волны полностью определяется:

Скорость электромагнитной волны в вакууме с связана с электрической ₀ и магнитной ₀ постоянными соотношением:

Объемная плотность энергии электромагнитной волны w определяется формулой

Уравнение сферической волны представляет собой выражение…

Вектор Умова – Пойнтинга характеризует перенос… Энергии электрического и магнитного стационарных полей

Модуль вектора Умова – Пойнтинга пропорционален… или

Электромагнитному полю присущ механический импульс p=W/c

Где (W – энергия электромагнитного поля)

Соотношение между массой и энергией электромагнитного поля

Волновое число k определяется, как…

В электромагнитной волне мгновенные значения векторов и в любой точке связаны соотношением:

Уравнение плоской электромагнитной волны, распространяющейся в положительном направлении оси x, имеет вид:

23. Интерференция световых волн (8 вопр)

Интерференция световых волн – это явление: называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

В результате наложения когерентных волн на экране наблюдается интерференционная картина.

Ширина интерференционной полосы это расстояние между соседними минимумами

В установке для получения колец Ньютона в проходящем монохроматическом свете в центре интерференционной картины наблюдается: черное пятно

Радиусы колец Ньютона r связаны с длиной волны монохроматического света  и радиусом кривизны плосковыпуклой линзы R соотношением:

Кольца Ньютона — это интерференционные полосы равной толщины

Если расстояние между источниками уменьшить в 2 раза, то ширина полосы при интерференции от этих источников при прочих равных условиях увеличится в 2 раза

Если воздушный промежуток в установке для получения колец Ньютона заполнить жидкостью с показателем преломления n, то оптическая разность хода  между лучами, упавшими в точку с одинаковой толщиной d, изменится: увеличится в n раз

Разность фаз  двух интерференционных лучей, имеющих оптическую разность хода ; равна: 3П

Определить длину отрезка l₁, на котором укладывается столько же длин волн монохроматического света в вакууме (n₁ = 1), сколько их укладывается на отрезке l ₂ = 2 мм в стекле (n₂ = 1,5). L1=(n2*l2)/n1= 3мм

Ширина интерференционной полосы в опыте Юнга полностью определяется следующими параметрами: углами падения световых волн на экран и длиной световой волны

В некоторую точку пространства приходит излучение с геометрической разностью хода волн 1,8 мкм. Длина волны 600 нм. В указанной точке интенсивность света увеличивается

Происходит усиление освещенности в данной точке.

Для точки А оптическая разность хода лучей от двух когерентных источников и равна 1,2 мкм. Если длина волны в вакууме 600 нм, то в точке А будет наблюдаться…

Минимум интерференции бывает тогда, когда разность хода равна нечётному числу полуволн, максимум — когда чётному. Длинна волны в задаче 600нм, т. е. 0.6мкм, значит полуволна — 0,3мкм.

Какое оптическое явление объясняет появление цветных радужных пятен на поверхности воды, покрытой тонкой бензиновой пленкой? Интерференция света

Условие возникновения интерференционного минимума.

( — оптическая разность хода световых волн в среде, ₀ – длина волны в вакууме, m = 0,1,2. )

Условие возникновения интерференционного максимума…

( — оптическая разность хода световых волн в среде, ₀ — длина волны в вакууме, m = 0,1,2,…)

Почему масляные пятна на поверхности воды имеют радужную окраску?обусловлено ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ света

24. Дифракция световых волн( 8вопр)

Принцип Гюйгенса – Френеля объясняет явление распространения волн, в частности, световых

Совокупность явлений, обусловленных волновой природой света, которые заключаются в отклонении света от прямолинейного направления распространения в среде с резкими неоднородностями, называется Дифракцией света

Метод зон Френеля предполагает, что оптическая разность хода волн от двух соседних зон в точке наблюдения составляет… интерференционный минимум

Метод зон Френеля предполагает, что волны от двух соседних зон…. будут взаимно ослаблять друг друга. (Так как колебания от соседних зон проходят до точки М расстояния, отличающиеся на λ/2, то в точку М они приходят в противоположной фазе и при наложении эти колебания будут взаимно ослаблять друг друга.)

Если в отверстии диафрагмы, расположенной на пути световой волны, укладывается только 5 зон Френеля то в центральной точке экрана наблюдается: Т.к. 5 нечетно, то в центре экрана наблюдаетсямаксимум и значит центр будет светлым.

Плоская монохроматическая волна длиной  падает на диафрагму с отверстием. Расстояние от волновой поверхности до точки наблюдения на экране b. Радиус зоны Френеля с номером m связан с длиной волны соотношением::

Метод зон Френеля предполагает, что оптическая разность фаз волн от двух соседних зон в точке наблюдения составляет… интерференционный минимум

Если закрыть п   открытых зон Френеля, а открыть только первую, то амплитудное значение вектора напряженности электрического поля увеличится в 2 раза

При дифракции Фраунгофера от круглого отверстия в центральной точке экрана всегда наблюдается: В центре Дифракционной картины всегда наблюдается светлое пятно .

На узкую щель шириной b падает нормально монохроматический свет с длиной волны . Направление света ()на дифракционные максимумы порядка k на экране определяется соотношением:

Постоянная дифракционной решетки d = 4 мкм: Наибольший дифракционный порядок в котором полностью наблюдается видимый спектр

400 нм    800 нм.

Постоянная дифракционной решетки 2,5 мкм. Определить угол дифракции в спектре второго порядка при нормальном падении монохроматического света с длиной волны 0,62 мкм. Sinф= 0,496, а сам угол между 29 и 30 градусами

Дифракционная решетка шириной 12 мм содержит 4800 штрихов. Найти период решетки.2,5 мкм

Разрешающая способность объективов зависит от … его диаметра и длины волны света

Разрешающая способность дифракционной решетки зависит от … числа щелей и порядка интерференции( спектара)

Согласно критерию Рэлея два точечных некогерентных источника света с длиной волны считаются разрешенными объективом с диаметром D, если минимальное угловое расстояние между ними определяется соотношением…

25. Дисперсия света и взаимодействие световых волн со средами( 5вопр)

Дисперсия света – это… это зависимость абсолютного показателя преломления вещества n от частоты v падающего на вещество света (или длины волны) n=f(v)=ф(λ)

Многообразие цветов и оттенков в окружающем нас мире объясняет явление дисперсии

В области нормальной дисперсии имеет место соотношение: dn/dλ<0

В области аномальной дисперсии имеет место соотношение: dn/dλ>0

Дисперсия света объясняется взаимодействием электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны. (световой волны с электронами, входящими в состав молекул и атомов вещества.)

Угол отклонения лучей при прохождении их через тонкую призму с показателем преломления n зависит: от угла падения и показателя преломления n

Показатель преломления воды для красного света равен 1,329, а для голубого – 1,337. В связи с этим при прохождении света в воде наблюдается нормальная дисперсия

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера

(I₀ и I – интенсивности света, падающего на поглощающий слой вещества и прошедшего через него,  – коэффициент поглощения вещества, х – толщина поглощающего слоя вещества)

Нормальная дисперсия (зависимость показателя преломления света от длины световой волны) представлена на рисунке. (с ростом частоты ν показатель преломления n уменьшается)

26. Поляризация световых волн( 8вопр)

Циркулярно-поляризованный свет возникает при наложении волн, в которых вектор …

изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпен­дикулярной лучу. И эллипс поляризации вырождается в окружность

Естественный свет можно представить как… наложение двух некогерентных электромагнитных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность.

При падении света под углом полной поляризации отражаются… только волны, поляризованные в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения

Луч падает на границу раздела с диэлектриком с показателем n. Отраженный луч максимально поляризован. Угол падения луча на диэлектрик  равен: углу Брюстера

где — показатель преломления второй среды относительно первой, а — угол падения (угол Брюстера).

Явление двойного лучепреломления при падении луча света на одноосный кристалл объясняется: анизотропией кристаллов(анизотропией диэлектрической проницаемости кристала)

При падении луча естественного света на одноосный кристалл в последнем возникают…

(о)- обыкновенные и (е)- необыкновенные лучи…

Оптическая ось кристалла кварца — это направление, вдоль которого скорости обыкновенной ₀ и необыкновенной _е волн связаны соотношением: :_{0 =}_е

Линейно – поляризованный свет с интенсивностью I₀ падает на поляризатор. Вектор в падающей волне совершает колебания под углом  к главной плоскости поляризатора. Интенсивность прошедшего света I равна: E0/2

Свет поляризован по кругу. Интенсивность падающего на поляризатор света I₀. Интенсивность прошедшего поляризатор света I равна: : не зависит от фи

Степень анизотропии среды в ячейке Керра n = (n_e – n_o) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е^2

Луч естественного света падает на металлическое зеркало под углом . Отраженный луч… нет правильного ответа в тесте

Свет частично поляризован. Максимальная интенсивность I_max в четыре раза превышает минимальную I_min. Степень поляризации частично поляризованного света равна: 6/10

Луч падает на границу раздела с диэлектриком с показателем преломления n. Отраженный луч максимально поляризован. Угол между отраженным и преломленным лучами равен: пи/2

При падении луча естественного света на одноосный кристалл в последнем возникают…два луча (о) и (е) обыкновенный и необыкновенный

Оптическая ось кристалла кварца — это направление, вдоль которого показатели преломления обыкновенной n_o и необыкновенной n_е волн связаны соотношением: n_o= n_е

Луч света с длиной волны  падает на четвертьволновую пластинку перпендикулярно её оптической оси. На выходе луч будет поляризован по кругу, если оптическая ось пластинки ориентирована по отношению к плоскости колебаний падающего излучения под углом:… пи/4

Естественный свет с интенсивностью I₀ проходит через идеальный поляризатор. Интенсивность прошедшего света равна: I₀/2

Между скрещенными поляризатором и анализатором поместили пластинку /4. Под каким углом (углом между главной плоскостью поляризатора и оптической осью пластинки) необходимо ее расположить, чтобы при вращении анализатора сигнал на выходе анализатора оставался постоянным: не зависит от фи

Дихроизм это явление… поглощение веществом света в зависимости от его поляризации (анизотропия поглощения).

Угол поворота плоскости поляризации световой волны при прохождении ее через кювету с чистой оптически активной жидкостью зависит: концентрация удельное вращение и длинна кюветы

Угол поворота плоскости поляризации световой волны при прохождении ее через образец из оптически активного вещества в твердой фазе зависит:

Вращение плоскости поляризации оптическими неактивными веществами под действием продольного магнитного поля называется… Эффект Фарадея.

27. Квантовые свойства света( 8вопр)

Количество электронов, вырванных из металла при внешнем фотоэффекте зависит от: интенсивности света.

Скорость фотоэлектронов при внешнем фотоэффекте зависит от: энергии фотона, вызывающего фотоэффект

Работа выхода фотоэлектронов зависит от: состояния поверхности металла (в частности, от находящихся на ней окислов и адсорбированных веществ

Энергия электронов, вырванных из металла при внешнем фотоэффекте зависит от: частоты света

Энергия электронов, вырванных из металла при внешнем фотоэффекте, опредяляется соотношением:

закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

(А – работа выхода электрона, h – постоянная Планка)

При внешнем фотоэффекте скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего излучения  и работы выхода фото катода А следующим образом:

Задерживающий потенциал при внешнем фотоэффекте зависит от: зависит только от частоты падающего света

Для внешнего фотоэффекта величина работы выхода фотокатода А определяется соотношением:

При Комптоновском рассеянии света… происходит упругое столкновение фотона со свободным электроном

Эффект Комптона является экспериментальным доказательством подтверждает существование фотонов

Энергия электрона отдачи в эффекте Комптона меняется с изменением угла рассеяния :

??рентгеновских лучей??

Энергетическая светимость R это…… физическая величина, одна из энергетических фотометрических величин. Характеризует мощность оптического излучения, излучаемого малым участком поверхности единичной площади

Размерность энергетической светимости в системе СИ: Вт·м -2

Энергетическая светимость R абсолютно черного тела уменьшилась в 16 раз, при этом термодинамическая температура уменьшилась и отношение (Т₁/Т₂) равно: 2

Температура абсолютно – черного тела изменилась от 600 К до 1800 К. При этом длина волны, на которую приходится максимум излучения… уменьшилась в 5 раз

Площадь, ограниченная графиком спектральной плотности энергетической светимости r_T черного тела при переходе от Т₁ к Т₂ увеличилась в 5 раз. Энергетическая светимость при этом… увеличилась в 5 раз.

Постоянная b в законе смещения Вина в системе СИ имеет размерность м*К( метр*Кельвин)

Три стеклянных одинаковых по размерам кубика нагреты до одной температуры. Первый – черный, второй – зеленого цвета, третий — прозрачный. До комнатной температуры быстрее охладится: черный

Масса фотона может быть определена на основании соотношения: m=hv/c2=h/(c* )

Импульс фотона может быть определен на основании соотношения: p=hv/c=h/

На твердое тело нормально падает фотон с длиной волны . Импульс, который фотон передает телу при отражении, равен: p=2h/

28. . Волна де-Бройля (5вопр)

Для волновых процессов, связанных с частицами, обладающими импульсом , справедлива формула:

=, где =2

(где — волновой вектор) связана с постоянной Планка h, …

Постоянная Планка в СИ имеет единицу измерения: Дж*с

Квадрат модуля амплитуды волны де Бройля в данной точке… является мерой вероятности обнаружения частицы в данной точке пространства

При увеличении длины волны в 2 раза импульс частицы, которую можно сопоставить этой волне… Уменьшился в два раза

Любой частице, обладающей импульсом p, можно сопоставить волновой процесс с длиной волны…

=h/p ( h – постоянная Планка )

Связь между энергией свободной частицы Е и частотой волн де Бройля :

Е=(p)/k, ( где =2)

Длина волны де Бройля электрона определяется:

=h/p=h/mv

Покоящийся атом массой m, излучая квант света с длиной волны λ, приобретает импульс, равный по модулю p=mc=h/

. Гипотеза де Бройля состояла в предположении о наличии Соотношения между длиной волны и импульсом частицы (массы , умноженной на скорость частицы).Импульс непосредственно связан с кинетической энергией.

29. . Соотношение неопределенностей Гейзенберга( 2вопр)

Соотношение неопределенностей Гейзенберга для проекций импульса и координаты говорит о том, что …всегда должно быть равно или больше константы, равной – что уменьшение одной из этих величин должно приводить к увеличению другой.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга: ≥h (где — неопределённость энергии, — неопределённость времени)

произведение неопределенностей значений двух сопряженных переменных не может быть по порядку меньше постоянной Планка h.

Соотношение Гейзенберга для энергии частицы и времени пребывания ее в этом состоянии утверждает:

что при характерном времени эволюции системы Δt , погрешность определения ее энергии не может быть меньше чем

Из соотношения неопределенностей Гейзенберга следует, что при уменьшении неопределенности импульса частицы неопределенность в ее координате… возрастает

Соотношение неопределенностей Гейзенберга устанавливает границы применимости… классических представлений к микропроцессам.

? Соотношение неопределенностей Гейзенберга обусловлено наличием… неопределенных координат и неопределенных проекций импульс для микрочастицы

30. . Волновая функция. Принцип суперпозиции состояний. Уравнение Шредингера ( 4вопр)

Волновая функция электрона в атоме имеет физический смыслзаключается в том, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики плотность вероятности нахождения частицы в данной точке конфигурационного пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении.

Волновая функция, описывающая физическую систему, должна обладать следующими свойствами:должна быть: конечной (вероятность не может быть больше единицы); однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной); непрерывной (вероятность не может меняться скачком).

Плотность вероятности обнаружения частицы в данном месте пространства

Для бесконечного объема условие нормировки — функции имеет вид:

.Квадрат модуля волновой функции электрона в атоме имеет физический смысл

представляя собой плотность вероятности (для дискретных спектров — просто вероятность) обнаружить систему в положении, описываемом координатами в момент времени

Принцип суперпозиции состояний в квантовой механике заключается в том, что если частица может быть в состоянии и в состоянии , то существует состояние частицы, которое описывается волновой функцией . (где С₁ и С₂ –константы)

Стационарное уравнение Шредингера нерелятивистской квантовой механики имеет вид:

Какие характеристики электромагнитного поля периодически изменяются в бегущей электромагнитной волне?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Какие характеристики электромагнитного поля периодически изменяются в бегущей электромагнитной волне

Какие характеристики электрического и магнитных полей периодически изменяются в электромагнитной волне? Каким образом?

В электромагнитной волне периодически изменяются напряженности электрического и магнитного полей. Изменяются они по синусоидальному закону:

Векторы напряженности электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны.

Электромагнитные волны

Выполнил:
ученик 11 «Б» класс
Львов Михаил
Проверил:

2. Понятие волна и ее характеристики…………………………… 4

3. Электромагнитные волны……………………………………… 5

4. Экспериментальное доказательство существования
электромагнитных волн………………………………………… 6

5. Плотность потока электромагнитного излучения ……………. 7

7. Свойства электромагнитных волн ………………………………10

8. Модуляция и детектирование…………………………………… 10

9. Виды радиоволн и их распространение………………………… 13

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. В природе существует два вида волн: механические и электромагнитные. Ме­ханические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распростра­нения, к которым, в частности, от­носятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может су­ществовать в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем ато­мов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при своем распростра­нении ведут себя подобно механическим. Но подобно колебаниям все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. В своей работе я постараюсь рассмотреть причины возникновения электромагнитных волн, их свойства и применение в нашей жизни.

Понятие волна и ее характеристики

Волной называют колебания, распростра­няющиеся в пространстве с течением времени.

Важнейшей ха­рактеристикой волны является ее скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.

При распространении механической волны движе­ние передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии. Ос­новное свойство всех волн незави­симо от их природы состоит в пере­носе ими анергии без переноса вещества. Энергия поступает от источ­ника, возбуждающего колебания на­чала шнура, струны и т. д., и распро­страняется вместе с волной. Через любое поперечное сечение непрерывно течет энергия. Эта энергия слагается из кинети­ческой энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний, при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.

Если заставить конец растянутого резинового шнура колебаться гармонически с опреде­ленной частотой v, то эти колеба­ния начнут распространяться вдоль шнура. Колебания любого участка шнура происходят с той же часто­той и амплитудой, что и колебания конца шнура. Но только эти колеба­ния сдвинуты по фазе друг относи­тельно друга. Подобные волны назы­ваются монохроматическими.

Если сдвиг фаз между колеба­ниями двух точек шнура равен 2п, то эти точки колеблются совершенно одинаково: ведь соs(2лvt+2л) = =соs2пvt. Такие колебания назы­ваются синфазными (происходят в одинаковых фазах).

Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющими­ся в одинаковых фазах, называется длиной волны.

Связь между длиной волны λ, частотой v и скоростью распростра­нения волны c. За один период ко­лебаний волна распространяется на расстояние λ. Поэтому ее скорость определяется формулой

Так как период Т и частота v свя­заны соотношением T = 1 / v

Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний.

Теперь перейдем к рассмотрению непосредственно электромагнитных волн.

Фунда­ментальные законы природы могут дать гораздо боль­ше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены. Одним из таких относятся открытые Макс­веллом законы электромагнетизма.

Среди бесчисленных, очень инте­ресных и важных следствий, выте­кающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслу­живает особого внимания. Это вы­вод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории близкодействия Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т. д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электро­магнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие области окружающего пространства.

Максвелл математически дока­зал, что скорость распространения этого процесса равна скорости све­та в вакууме.

Пред­ставьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Тогда элек­трическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периоди­чески изменяться. Период этих изме­нений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Переменное элек­трическое поле будет порождать пе­риодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного элек­трического поля уже на большем расстоянии от заряда и т.д.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля ме­няются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее ко­лебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда коле­бания происходят с различными фа­зами.

Направления колеблющихся век­торов напряженности электрическо­го поля и индукции магнитного по­ля перпендикулярны к направлению распространения волны.

Электромагнитная волна является поперечной.

Электромагнитные волны излу­чаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электро­магнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излу­ченной волны тем больше, чем боль­ше ускорение, с которым движется заряд.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их эксперимен­тального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электро­магнитные волны были экспериментально получены Герцем.

Экспериментальное доказательство существования

Электромагнитные волн не видны в отличие от механических, но тогда как же они были обнаружены? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыты Герца.

Электромагнитная волна образу­ется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля при­водит к появлению другого. Как известно, чем быстрее меня­ется со временем магнитная индук­ция, тем больше напряженность воз­никающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний равна 1/ √ LС. От сюда видно, что она будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, называемое сейчас 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. Поэтому частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на 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 (в обычных же цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент вре­мени одинакова.) Электромагнитное поле также охватывает все пространство возле контура.

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 Е и В пер­пендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей че­рез вибратор, а вектор В перпенди­кулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной ин­тенсивностью в направлении, перпен­дикулярном оси вибратора. Вдоль 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 большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаруживал эти колебания, наблюдав искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другие видам волн.

Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора. Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле с = λ v. Она оказалась приближенно равной скорости света: с = 300 000 км/с. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Плотность потока электромагнитного излучения

Теперь перейдем к рассмотрению свойств и характеристик электромагнитных волн. Одной из характеристик электромагнитных волн является плотность электромагнитного излучения.

Рас­смотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.

с t

Плотностью потока электромагнитного излучения I называет отно­шение электромагнитной энергии W , проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверх­ность площадью S, к произведению площади S на время t.

Плот­ность потока излучения, в СИ выра­жают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

После проведения ряда преобразований мы получаем что I = w c.

т. е. плотность потока излучения равна произведению плотности элек­тромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Мы не раз встречались с идеализацией реаль­ных источников принятие в физике: материаль­ная точка, идеальный газ и т. д. Здесь мы встретимся еще с одним.

Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оце­нивается его действие. Кроме того, предполагается, что такой источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Рассмотрим зависимость плотности потока излучения от расстояния до источ­ника.

Энергия, которую несут с собой электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, переносимая через единичную площадку за единицу времени, т. е. плотность потока из­лучения, уменьшается по мере удаления от источника. Выяснить зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника можно, поместив точечный источник в центр сферы радиусом R. площадь поверхности сферы S= 4 п R^2. Если считать, что источник по всем направлениям за время t излучает энергию W

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обрат­но пропорционально квадрату рас­стояния до источника.

Теперь рассмотрим зависимость плотности потока из­лучения от частоты. Как известно излучение элек­тромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля и магнитная ин­дукция электромагнитной волны про­порциональны ускорению а излучаю­щих частиц. Ускорение при гармо­нических колебаниях пропорцио­нально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорцио­нальны квадрату частоты

Плотность энергии электрическо­го поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного по­ля пропорцио­нальна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электро­магнитного поля равна сумме плот­ностей энергий электрического и маг­нитного полей. Поэтому плотность потока излучения пропорциональна: (E^2+B^2). От сюда получаем, что I пропорциональна w^4.

Плотность потока излучения про­порциональна четвертой степени частоты.

Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обыч­ных условиях когерер обладает боль­шим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с дру­гом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере перемен­ный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление коге­рера резко падает (в опытах А. С. По­пова со 100000 до 1000—500 Ом, т. е. в 100—200 раз). Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимую для осуществления беспроволочной связи, А. С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрическо­го звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент при­хода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашечке, но и по коге­реру. С последним встряхиванием когерера аппарат был готов к приему новой волны.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из вы­водов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому кус­ку проволоки, создав первую прием­ную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает про­водящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.

Хотя современные радиоприем­ники очень мало напоминают при­емник А. С. Попова, основные прин­ципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник так­же имеет антенну, в которой прихо­дящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется не­посредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источника­ми энергии, питающими последую­щие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупро­водниковых приборов.

7 мая 1895 г. на заседании Рус­ского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов проде­монстрировал действие своего прибо­ра, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио.

Свойства электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться вол­нами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой ча­стотой. Принятый сигнал после де­тектирования подается на громко­говоритель.

Я не буду описывать проведение всех опытов, а остановлюсь на основных.

1. Диэлектрики способны поглощать электромагнитные волны.

2. Некоторые вещества (например, металл) способны поглощать электромагнитные волны.

3. Электромагнитные волны способны изменять свое направление на границе диэлектрика.

4. Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Это означает, что векторы Е и В электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению ее распространения.

Модуляция и детектирование

С момента изобретения радио Поповым прошло некоторое время, когда люди захотели вместо телеграфных сигналов, состоящих из коротких и длинных сигналов, передавать речь и музыку. Так была изобретена радиотелефонная связь. Рассмотрим основные принципы работы такой связи.

При радиотелефонной связи колебания дав­ления воздуха в звуковой волне пре­вращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти коле­бания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на рас­стояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ пере­дачи неосуществим. Дело в том, что колебания звук новой частоты пред­ставляют собой сравнительно мед­ленные колебания, а электромагнит­ные волны низкой (звуковой) часто­ты почти совсем не излучаются. Для преодоления этого препятствия была разработана модуляция и детектирование рассмотрим их подробно.

Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные коле­бания, интенсивно излучаемые ан­тенной. Незатухающие гармониче­ские колебания высокой частоты вы­рабатывает генератор, например ге­нератор на транзисторе.

Для передачи звука эти высоко­частотные колебания изменяют, или как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, напри­мер, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колеба­ний. Этот способ называют ампли­тудной модуляцией.

график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;

б) гра­фик колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;

в) график модулированных по ам­плитуде колебаний.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контроли­ровать, работает станция или мол­чит. Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Амплитудная модуляция высоко­частотных колебаний достигается специальным воздействием на гене­ратор незатухающих колебаний. В частности, модуляцию можно осуществить, изменяя на колебательном контуре напряжение, создаваемое источником. Чем больше напряжение на контуре генера­тора, тем больше энергии поступает за период от источника в контур. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний в контуре. При уменьше­нии напряжения энергия, поступаю­щая в контур, также уменьшается. Поэтому уменьшается и амплитуда колебаний в контуре.

В самом простом устройстве для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного напряжения дополнительный источник переменного на­пряжения низкой частоты. Этим источником может быть, например, вторичная обмотка трансформатора, если по его первичной обмотке протекает ток звуковой частоты. В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями напряжения на тран­зисторе. Это и означает, что высоко­частотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом.

Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют ча­стотную модуляцию — изменение ча­стоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Ее преиму­ществом является большая устойчи­вость по отношению к помехам.

Детектирование. В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобра­зования сигнала называют детекти­рованием.

Полученный в результате детек­тирования сигнал соответствует то­му звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Принятый при­емником модулированный высокоча­стотный сигнал даже после усиле­ния не способен непосредственно вызвать колебания мембраны теле­фона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вы­звать только высокочастотные коле­бания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необхо­димо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выде­лить сигнал звуковой частоты.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью — детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуум­ный диод) или полупроводниковый диод.

Рассмотрим работу полупровод­никового детектора. Пусть этот при­бор включен в цепь последователь­но с источником модулированных колебаний и нагрузкой. Ток в цепи будет течь преимуще­ственно в одном направлении.

В цепи будет течь пуль­сирующий ток. Этот пульси­рующий ток сглаживается с по­мощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединенный к нагрузке.

Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в кон­денсатор, заряжая его. Разветвле­ние тока уменьшает пульсации то­ка, проходящего через нагрузку. За­то в промежутке между импульса­ми, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через на­грузку.

Поэтому в интервале между им­пульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В резуль­тате этого через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.

Виды радиоволн и их распространение

Мы уже рассмотрели основные свойства электромагнитных волн, их применение в радио, образование радиоволн. Теперь познакомимся с видами радиоволн и их распространением.

Форма и физи­ческие свойства земной поверхно­сти, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн ока­зывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на вы­соте 100—300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосфе­рой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается элек­тромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излу­чаемых им.

Проводящая электрический ток, ионосфера отражает радиоволны с длиной волны > 10 м, как обычная металлический пластина. Но способ­ность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени су­ток и времен года.

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность. Это огибание выражено тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможна лишь при длине волн, значительно превышающей 100 м (средние и длинные волны)

Короткие волны (диапазон длин волн от 10 до 100 м) распространя­ются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью корот­ких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Ультракороткие радиоволны (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхностьЗемли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораб­лями.

Теперь рассмотрим еще одно применение радиоволн. Это радиолокация.

Обнаружение и точное определе­ние местонахождения объектов с по­мощью радиоволн называют радио­локацией. Радиолокационная уста­новка — радиолокатор (или ра­дар) — состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты. Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остро­направленную волну. Острая направленность излуче­ния получается вследствие сложения волн. Антенна устроена так, что вол­ны, посланные каждым из вибрато­ров, при сложении взаимно усили­вают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направле­ниях при сложении волн происхо­дит полное или частичное их взаим­ное гашение.

Отраженная волна улавливается той же излучающей антенной либо другой, тоже остронаправленной приемной антенной.

Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения. Передатчик излучает вол­ны кратковременными импульсами. Длительность каждого импульса со­ставляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами примерно в 1000 раз больше. Во вре­мя пауз принимаются отраженные волны.

Определение расстояния произ­водится путем измерения общего времени прохождения радиоволн до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с=3*10 8 м/с в атмосфе­ре практически постоянна, то R = ct/2.

Для фиксации посланного и отра­женного сигналов используют электронно-лучевую трубку.

Радиоволны используются не то­лько для передачи звука, но и для передачи изображения (телевиде­ние).

Принцип передачи изображений на расстояние состоит в следующем. На передающей станции произво­дится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами моду­лируют затем колебания, вырабаты­ваемые генератором высокой часто­ты. Модулированная электромагнит­ная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике производится обратное преобразо­вание. Высокочастотные модулиро­ванные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение. Для передачи движения используют принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передают десятки раз в се­кунду (в нашем телевидении 50 раз).

Изображение кадра преобразует­ся с помощью передающей вакуум­ной электронной трубки — иконо­скопа в серию электриче­ских сигналов. Кроме иконоскопа, существуют и другие передающие устройства. Внутри иконоскопа рас­положен мозаичный экран, на кото­рый с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжает­ся, причем ее заряд зависит от интен­сивности падающего на ячейку све­та. Этот заряд меняется при попада­нии на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает, на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем дру­гой строчки и т. д. (всего 625 строк).

От того насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в резисторе R. Поэтому напряжение на резисторе изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра.

Такой же сигнал получается в телевизионном приемнике после де­тектирования. Это видеосигнал. Он преобразуется в видимое изображе­ние на экране приемной вакуумной электронной трубки — кинескопа.

Телевизионные радиосигналы мо­гут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн.