Группа МЖКХ 1 Физика 5-6 июня Тема 16.Электромагнитные волны.
учебно-методический материал по физике

Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл завершил построение теории электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, строго оформив её математически, и на её основе получив твёрдое обоснование существования электромагнитных волн, а также найдя скорость их распространения. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.

Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.

 В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля - электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с, то есть со скоростью света.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:

Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Электромагнитная волна переносит энергию.

Наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

Диапазон электромагнитных волн

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Диапазоны радиоволн

Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и децимиллиметровые волны (гипервысокие частоты, ГВЧ, 300—3000 ГГц) — стандартные диапазоны радиоволн по общепринятой классификации.. По другой классификации указанные стандартные диапазоны радиоволн, исключая метровые волны, называют микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ)[6].

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов

Принцип радиосвязи

    Радиосвязью называют передачу и прием информации с помощью радиоволн с частотой приблизительно от 0,1 до 1000 МГц.

    Для осуществления радиосвязи в пункте передачи размещают радиопередатчик с передающей антенной, а в пункте, в котором осуществляется радиоприем, радиоприемник с принимающей антенной.

При радиотелефонной связи, когда передается звуковая информация, колебания давления воздуха сначала с помощью микрофона превращают в электрические колебания той же частоты. Но поскольку интенсивность таких колебаний мала, то при передаче на расстояние они быстро затухают. Затем, чтобы все же передать такие колебания, ими воздействуют на какой-либо параметр (например, амплитуду) высокочастотных колебаний, вырабатываемых генератором передатчика. Такой процесс называется амплитудной модуляцией.

Когда электромагнитная волна достигает приемной антенны, благодаря явлению электромагнитной индукции в цепи антенны индуцируются электрические колебания, частота которых равна частоте принятой волны.
Принятый приемником модулированный высокочастотный сигнал не способен вызывать колебания мембраны телефона или громкоговорителя. Возникает необходимость выделения сигнала звуковой частоты из модулированного высокочастотного сигнала. Обратное преобразование амплитудно-модулированного сигнала называется детектированием.

Детектирование на приемной станции производится при помощи простой схемы, содержащей полупроводниковый диод. Конденсатор переменной емкости и катушка индуктивности в цепи приемной антенны образуют колебательный контур и служат для настройки радиоприемника на частоту электромагнитной волны, которую нужно принять (согласно формуле Томсона, при увеличении емкости конденсатора увеличивается период колебаний в контуре; следовательно, уменьшается частота колебаний).
    Конденсатор вместе с микрофоном (наушниками) является фильтром.

Провод, по которому течет переменный ток, излучает радиоволны в случае, если он не замкнут и ток изменяется во времени. Если взять колебательный контур и разомкнуть его, то получим излучатель электромагнитных колебаний. Излучатель такого типа был использован в опытах Герца. Такая излучающая система называется антенной.

Для радиосвязи пригодны только высокочастотные токи, так как низкочастотные токи слабо излучают. Излучаемая мощность растет пропорционально четвертой степени частоты.

Радиосвязь основана на том, что волна, излучаемая сильными высокочастотными токами в антенне, настроенной в резонанс с генератором, улавливается другой антенной — антенной приемника, также настроенной в резонанс с передающей антенной. В этом простейшем варианте передаваться и приниматься могут только высокочастотные сигналы и информация, основанная на наличии и отсутствии сигнала или его длительности. Для передачи речи. Музыки необходимы низкочастотные сигналы в диапазоне от 50 до 10 4 Гц. Непосредственная передача таких сигналов невозможна из-за малой излучаемой мощности на этих частотах и колоссальных размеров антенн. Эти проблемы снимаются, если для передачи использовать высокочастотные волны, измененные низкочастотным сигналом. Такое изменение называется модуляцией. Модулировать можно амплитуду и фазу колебаний.

В телевидении видеосигнал также представляет собой высокочастотные колебания, модулированные по амплитуде. Поэтому телевизионный приемник похож на радиоприемник, с той лишь разнице, что видеосигнал используется для управления интенсивностью электронного пучка, который падает на экран телевизионной трубки.

Аналогичным образом устроены различные навигационные устройства, сотовые телефоны и другие приборы.

Радар (радиолокатор)

Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.

Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.