Какие три вектора взаимно перпендикулярны в электромагнитной волне

Какие три вектора взаимно перпендикулярны в электромагнитной волне

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл 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.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

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, систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: , .

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением , где – частота колебаний электромагнитного поля, .

Скорость электромагнитных волн в вакууме ():

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

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 .

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: .

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δ через площадку протечет энергия , равная

Δэм = (э + м)υΔ.

Плотностью потока или интенсивностью называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для _э, _м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен . Этот вектор называют вектором Пойнтинга .

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение _ср плотности потока электромагнитной энергии равно
где ₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр ().

5. 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 . Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс . Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением
где _эм – объемная плотность электромагнитной энергии, – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

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.

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.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами . Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент () которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца . В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Переменное электрическое поле порождает магнитное, которое тоже является переменным. Это переменное магнитное поле порождает электрическое и т.д. Таким образом, если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электромагнитное поле, то в окружающем заряды пространстве возникнет последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся от точки к точке. Этот процесс будет периодическим во времени и пространстве, и, следовательно, представляет собой волну.

Опр. 2.1. Электромагнитными волнами называется распро­страняющееся в пространстве с ко­нечной скоростью переменное электромагнит­ное поле.

При рассмотрении э/м волн речь идет о колебаниях векторов напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. Эти колебания взаимно обусловлены: изменяющееся во времени магнитное поле порождает изменяющееся во времени электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает изменяющееся во времени магнитное поле…и т. д. Связь между и , а также их зависимость от координат и времени определяется системой дифференциальных уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Само существованиеэлектромагнитных волн вытекает из уравне­ний Максвелла.

Связь между величинами: ; ; , где и — соответственно электрическая и магнитная постоянные, и — электрическая и магнитная проницаемости среды.

Из второго: , , , из второго и третьего:

Продифференцировав обе части первого уравнения Максвелла по координатам и времени, получаем: , т.к. — скорость света в вакууме, то . Аналогично , где — оператор Лапласа.

Полученные уравнения – типичные волновые уравнения. Всякая функция, удовлетворяющая такому уравнению, описывает некоторую волну, фазовая скорость которой , (2.5)

где — показатель преломления среды. В вакууме (=1 и = 1) скорость распространения э/м волн совпадает со скоростью с. Это навело Максвелла на мысль об электромагнитной природе света. Так как в среде >1,> 1, то скорость распространения электро­магнитных волн в веществе всегда мень­ше, чем в вакууме.

Опр. 2.2. Фазовая скорость – скорость распространения волны

Тогда из уравнений Максвелла следует, что вектора напряженности Е и Н переменного электромагнитного поля удовлетворяют волновому уравнению типа:

, (2.6)

Раскрыв оператор Лапласа, получим:

Опр. 2.3. Электромагнитная волна называется плоской, если векторы Е и Н зависят только от времени и одной де­картовой координаты, например от х. В плоской волне все лучи параллельны друг другу.

Пусть плоская электромагнитная волна распространяется в нейтральной непроводящей среде. Линии, вдоль которых распространяется энергии, называются лучами.Световой луч – направление распространения световой волны. Направим ось перпендикулярно к волновым поверхностям. Тогда и , а значит, и их компоненты по координатным осям не будут зависеть от координат и . Поэтому уравнения Максвелла в скалярной упрощаются следующим образом:

Исходя из уравнений (4) и (8):и не зависят ни от , ни от . Следовательно, отличные от нуля и могут быть обусловлены лишь постоянными однородными полями, накладывающимися на электромагнитное поле волны. Само поле волны не имеет составляющих вдоль оси . Т.о. векторы и перпендикулярны к направлению распространения волны, т.е. что электромагнитные волны поперечны. В дальнейшем мы будем предполагать постоянные поля отсутствующими и полагать == 0.

Опр. 2.4. Плоскость, проведенная через векторЕ и световой луч, называется плоскостью колебаний линейно поляризованной волны.

Опр. 2.5.Плоскостью поляризации на­зывается плоскость, проведенная через вектор Н и световой луч.

Исходя из уравнений (3) и (6): если первоначально было создано переменное электрическое поле , направленное вдоль оси (3), то это поле создаст магнитное поле (6), направленное вдоль оси . В соответствии с (3) поле создаст электрическое поле , и т.д. Ни поле , ни поле при этом не возникают.

Аналогично для уравнений (2) и (7) возникает поле — , а поле -не возникает. Т.о. для описания плоской электромагнитной волны достаточно взять одну из пар уравнений, положив компоненты, фигурирующие во второй, равными нулю.

Плоскости колебаний и поляризации взаимно перпендикулярны.

Пусть ==0. Продифференцируем уравнение (3) по : , где — волновое уравнение для . Аналогично из уравнения (6): .

где E₀ и H₀ — соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнит­ного полей волны, — круговая частота волны, —волновое число, — начальные фазы колебаний в точках с ко­ординатой х=0,x- пройденное волной расстояние. В уравнениях одинаково, так как колебания электрического и магнитного векторов в электромагнитной волне происходят с одинаковой фазой.

Подставим эти решения в уравнения (3) и (6):

получаем и . Перемножим эти два выражения: . Т.к. (, а в нашем случае ) и , то и

Следствия теории Максвелла:

1. Э/м волны являются попереч­ными: векторы Е и Н взаимно перпендикулярны (направлены вдоль оy и оz; рис. — моментальная «фотография» плоской э/м волны ) и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости распространения волны.

2. Векторы , Е и Н об­разуют правовинтовую систему: из конца вектора вра­ще-ние от Е к Н по кратчайшему расстоянию видно про­исходящим против часовой стрелки.

3. Векторы Е и Н всегда колеблются в одинаковых фазах в электромагнитной волне (рис.), причем мгновенные значения Е и Н в любой точке связаны соотношением:

(2.9)

для вакуума (2.9’)

Следовательно, Е и Н одновременно достигают максимума, одновременно обращаются в нуль и т. д.

Опр. 2.6. Электромагнитная волна называется монохромати­ческой, если компоненты векторов Е и Н электромагнит­ного поля волны совершают гармонические колебания одинаковой частоты, называемой частотой волны. Монохроматическая волна неограниченна в пространстве и времени.

Утверждение, что свет — поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции, интерференции и поляризации света и распространения света в анизотропных средах. Так как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны, то для описания закономерностей поляри­зации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительносветового вектора.

Опр. 17.1. Световой вектор — вектор напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Световую волну можно описать как , где А – амплитуда.

Характеристикой волны является : (2.10)

Опр. 2.7. Длина волны () — минимальное расстояние между двумя точками пространства или среды, колебания векторов напряженности электрического поля (или векторов напряженности магнитного поля) в которых совершаются в одинаковой фазе.

В среде: (2.11)

В вакууме: (2.11’)

Если э/м волна с частотой переходит из вакуума в среду с абсолютным показателем преломления n, то ее частота остается неизменной, а длина волны считается равной:

, , . Тогда (2.12)

Произвольная немонохроматическая волна может быть представлена в виде совокупности монохроматических волн.

Длины волн видимого света: = 0,40 — 0,76 мкм (4000 — 7600Å). Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины световых волн будут иными. Частоты видимых световых волн лежат в пределах: v =(0,39-0,75)-10 15 Гц

Referat. Электромагнитные волны

Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями

Колебания заряда и силы тока в колебательном контуре сопровождаются колебаниями напряженности электрического поля и магнитной индукции в окружающем контур пространстве. Подобно механическим колебаниям в среде (газе, жидкости, твердом теле), распространяющимся в пространстве с течением времени, колебания электромагнитного поля тоже распространяются в пространстве. Только это происходит не в какой-либо среде, а в вакууме. Среда влияет на распространение колебаний, но не является необходимой для их существования.

Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. При изменении со временем магнитной индукции \(

\vec B\) возникает электрическое поле, линии напряженности которого охватывают линии магнитной индукции (рис. 1, а). Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. При возрастании магнитной индукции \(

\left ( \frac<\Delta B> <\Delta t>> 0 \right)\) направление напряженности образует левый винт с направлением вектора \(

Итак, магнитное поле порождает электрическое. Не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное? Это предположение, диктуемое соображениями симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла.

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля (рис. 1, б) подобно тому, как линии напряженности электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля. Но только при возрастании напряженности электрического поля \(

\left ( \frac<\Delta E> <\Delta t>> 0 \right)\) направление вектора индукции \(

\vec B\) возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора \(

Утверждение Максвелла некоторое время оставалось не чем иным, как гипотезой. Причем гипотезой, которую мы сейчас с полным правом можем назвать гениальной. Ее справедливость была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает магнитное поле и т.д.

Переменное электрическое поле в пустоте или внутри диэлектрика было названо Максвеллом током смещения. Название «ток» было применено потому, что это поле порождает магнитное поле точно так же, как обычный ток. Добавка «смещения», с одной стороны, говорит нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны, напоминает о том отделенном времени, когда с изменением электрического поля в вакууме связывалось смещение частиц гипотетической средь — эфира.

После введения представлений о токе смещения появилась возможность любой электрический ток рассматривать как замкнутый. Так, например, в колебательном контуре ток проводимости в катушке (упорядоченное движение электронов) сменяется током смещения между обкладками конденсатора (изменяющимся со временем электрическим полем, рис. 2). Причем переменное электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, равный току в катушке.

Сейчас может показаться, что в гипотезе Максвелла нет ничего необычного. Не мог ли ее высказать любой ученый? Нет! Не надо забывать, что сама возможность гипотезы о возникновении магнитного поля при изменении электрического появилась лишь после объяснения электромагнитной индукции на основе представлений о поле. И это в то время, когда большинство известных ученых вообще не придавали самому понятию поля сколько-нибудь серьезного значения и когда до момента экспериментального доказательства его существования оставалось еще несколько десятков лет.

Максвелл не только высказал гипотезу, но и сформулировал точный количественный закон, определяющий значение магнитной индукции в зависимости от скорости изменения напряженности электрического поля (ток смещения, по Максвеллу, пропорционален скорости изменения напряженности электрического поля).

Максвелл смело положил в основу теории объект, экспериментальное существование которого не было доказано, — поле. И далее, идя шаг за шагом, опираясь на установленные опытным путем закономерности (законы Кулона, Ампера, Био-Савара-Лапласа и закон электромагнитной индукции Фарадея), он пришел к конечной цели. Гипотеза о токах смещения была последним принципиальным звеном. Здесь Максвелл наделил гипотетический объект новым гипотетическим свойством, не имея на то, в отличие от предыдущих случаев, прямых экспериментальных указаний.

Электромагнитное поле

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого.

Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Правда, покоящийся заряд создает только электрическое поле (рис. 3). Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других систем отсчета он будет двигаться и, следовательно, создавать и магнитное поле (рис. 4).

Точно так же лежащий на столе магнит создает только магнитное поле. Но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчета, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчета это поле может быть обнаружено.

Подобно тому, как меняется окраска окружающего нас пейзажа, если рассматривать его сквозь различные цветные стекла (светофильтры), меняются количественные характеристики полей при переходе от одной системы отсчета к другой. Подобно тому, как синие предметы становятся на черном фоне невидимыми, если их рассматривать через красное стекло, подходящим выбором системы отсчета мы можем в ряде случаев сделать ненаблюдаемыми магнитное поле или поле электрическое. Разница в одном, но очень важном обстоятельстве. Мы можем отбросить цветные стекла и сказать: вот истинные цвета пейзажа, вот каков он в действительности! С полным правом один из светофильтров (атмосферу) можно объявить привилегированным. Сделать же это с системой отсчета нельзя. Все инерциальные системы отсчета имеют совершенно одинаковые права на существование. Поэтому нет какой-то особой конфигурации полей, имеющих абсолютную значимость, независимую от системы отсчета.

На основании сказанного можно сделать вывод: электрические и магнитные поля — проявление единого целого: электромагнитного поля. В зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны этого единого целого.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может. Ведь один заряд непосредственно через пустоту «чувствует» присутствие другого. По Максвеллу же дело обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т.д. Причем возникающее вихревое магнитное или вихревое электрическое поле гасит ноле в тех областях пространства, где оно уже имелось, но захватывает новые области пространства (рис. 5).

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте — 300 000 км/с. Вот новое фундаментальное свойство поля, которое делает его, наконец, осязаемой реальностью.

Электромагнитная волна

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, 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 окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 6 изображен «моментальный снимок» такой системы полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. 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.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со време-нем, 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, причем интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

\vec B\) в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора \(

\vec E\) к вектору \(

\vec B\) , то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны \(

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.

Излучение электромагнитных волн

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей: изменение одного поля приводит к появлению другого. 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. Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. При этом условии напряженность электрического поля \(

\vec E\) и индукция магнитного поля \(

\vec B\) будут меняться быстро.

Опыты Герца

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту про-мышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний \(

\omega_0 = \frac<1><\sqrt>\) будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур. Обычный колебательный контур, какой изображен на рисунке 7, а (его можно назвать закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн.

Дело в том, что его переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость (рис. 7, б). Уменьшение же емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод (рис. 7, в). 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 не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.)

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 8, а). Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах — резонатор (рис. 8, б), — Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

Из-за малой емкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется сначала (рис. 9).

В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или лампового генератора.

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 \(

\vec B\) перпендикулярны друг другу, причем вектор \(

\vec E\) лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор \(

\vec B\) перпендикулярен этой плоскости. На рисунке 10 показаны линии напряженности электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной — линии напряженности электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, 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 и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.

Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и интерференцию волн. При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуется стоячая волна. Перемещая приемный вибратор, можно найти положение пучностей стоячей волны и определить длину волны. Длина волны равна удвоенному расстоянию между пучностями.

В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле \(

\upsilon = \lambda \cdot \nu\) . Она оказалась равной скорости света с = 300 000 км/с.

Опыты Герца блестяще подтвердили теоретические предсказания Максвелла.

Свойства электромагнитных волн

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

Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке 11.

Поглощение электромагнитных волн

Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.

Отражение электромагнитных волн

Если вместо диэлектрика между рупорами поместить металлический лист, то звук перестанет быть слышимым. Электромагнитные волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к металлическому листу (рис. 12). Звук исчезает, если убрать лист или повернуть его.

Преломление электромагнитных волн

Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина или другого диэлектрика. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой (рис. 13). Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Поперечность электромагнитных волн

Электромагнитные волны — это поперечные волны. Векторы \(

\vec B\) электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению ее распространения. Колебания напряженности электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определенной плоскости, а колебания вектора магнитной индукции — в плоскости, ей перпендикулярной. Волны с определенным направлением колебаний называются поляризованными. Приемный рупор принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических проволочек (рис. 14). Решетку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошному металлическому листу.

Когда же вектор \(

\vec E\) перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

Интерференция электромагнитных волн

На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 15). Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечетному числу полуволн. Можно наблюдать также дифракцию электромагнитных волн.

Принципы радиосвязи

Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Герц скептически относился к возможности беспроволочной телефонной связи. По его мнению, сравнительно медленные электрические колебания акустических частот не могут быть переданы на большие расстояния. Длина электромагнитных волн таких колебаний равна сотням километров.

В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. Как создавать электромагнитные волны, было известно со времен Герца. Увеличить интенсивность излучаемых волн можно было путем повышения мощности разряда. 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. Ныне он ежегодно отмечается в нашей стране.

Радиосвязь — это передача и прием информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот — от 3∙10 4 до 3∙10 11 Гц.

Схема радиосвязи изображена на рисунке 16, а, б. На передающей станции генератор высокочастотных колебаний возбуждает в антенне вынужденные колебания. Для увеличения интенсивности этих колебаний частота генератора выбирается равной одной из собственных частот колебаний антенны.

Излучаемые передающей антенной электромагнитные волны распространяются во все стороны и достигают антенны приемной станции (рис. 16, б). Под действием переменного электромагнитного поля волны электроны в приемной антенне приходят в движение. В антенне возникает переменный ток высокой частоты. Для того чтобы антенна не влияла на резонансную частоту приемного контура, этот контур вынесен из цепи антенны и связан с ней индуктивно. Приемный контур выделяет из всех частот, возбужденных в антенне, только колебания, частота которых равна собственной частоте контура.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было изобретение американским радиоинженером Де Форестом (1873-1961) в 1906 г. электронной лампы — триода. На основе триода был создан в 1913 г. ламповый генератор незатухающих электрических колебаний. Благодаря этому, кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, т.е. «точек» и «тире» азбуки морзе (рис. 17), стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, достаточно усилить эти колебания, подать в антенну, и передача на расстоянии речи и музыки с помощью электромагнитных волн будет осуществлена. Однако в действительности такой простой способ передачи неосуществим.

Дело здесь вот в чем. Колебания звуковой частоты — это медленные колебания. Энергия же, излучаемая в единицу времени, пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому электромагнитные волны низкой частоты практически не излучаются. Возникает проблемная ситуация. Высокочастотные волны интенсивно излучаются, но не несут с собой необходимой информации. Напротив, электрические колебания звуковой частоты такую информацию несут, но электромагнитные волны таких частот не излучаются.

Из этого положения был найден весьма остроумный выход. Он состоит в том, что для передачи используются высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором (рис. 18, а). Колебания же низкой (звуковой) частоты (рис. 18, б) применяют лишь для изменения высокочастотных колебаний или, как говорят, для их модуляции (От латинского слова modulatio – мерность, размерность).

Модуляцией электромагнитной волны называется изменение ее характеристик (амплитуды, частоты или фазы) при помощи колебаний с частотами, значительно меньшими частоты самой электромагнитной волны.

Соответственно различаются амплитудная (рис. 18, в), частотная (рис. 18, г) и фазовая (рис. 18, д) модуляции колебаний. Частота исходной (немодулированной) волны называется несущей частотой, а частота изменения характеристик волны при модуляции — частотой модуляции.

Модуляция — медленный процесс. Это такой процесс изменений в высокочастотной колебательной системе, при котором она успевает совершить очень много своих высокочастотных колебаний, прежде чем модулируемая характеристика изменится сколько-нибудь заметным образом. Без модуляции нет никакой передачи — ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной. В лучшем случае можно лишь констатировать, работает станция или нет.

В радиоприемнике из модулированных колебаний высокой частоты, после их усиления, получают низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования называется детектированием (От латинского слова detectio — обнаружение) или демодуляцией.

Полученный в результате детектирования низкочастотный сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты могут быть преобразованы в акустические колебания или использованы для других целей. На рисунке 19 показана блок-схема радиовещательного тракта.

Амплитудная модуляция

Мы ограничимся рассмотрением наиболее простого типа модуляции — амплитудной модуляции.

Для осуществления амплитудной модуляции можно использовать схему, изображенную на рисунке 20.

Эта схема состоит из генератора на транзисторе (нижний большой пунктирный прямоугольник), к которому добавлен модулятор (верхний пунктирный прямоугольник). В простейшем случае модулятор состоит из микрофона и источника тока, соединенных последовательно с первичной обмоткой L1 трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора L2 присоединена параллельно к конденсатору С контура в цепи базы транзистора. Конденсатор С имеет малое сопротивление для переменного тока высокой частоты, текущего по обмотке катушки обратной связи L. Вторичная обмотка трансформатора L2 имеет большое индуктивное сопротивление. Поэтому переменные токи высокой частоты, вырабатываемые генератором, проходят через конденсатор С, не ответвляясь в цепь микрофона модулятора. В результате генератор работает так же, как и в отсутствие модулирующей цепи.

Если микрофон отключен, то генератор вырабатывает гармонические колебания:

i_1 = I_ \cdot \sin \omega t\) ,

где ω — несущая частота, а I_m0 — постоянная амплитуда колебаний. График этих колебаний представлен на рисунке 21, а.

При включенном микрофоне звуковые волны возбуждают в его цепи электрические токи низкой частоты. Для этих токов конденсатор обладает большим сопротивлением. Поэтому переменное напряжение, создаваемое на концах обмотки L2 трансформатора, оказывается целиком приложенным к участку цепи база-эмиттер. Медленные колебания этого напряжения приводят к медленному изменению амплитуды высокочастотных колебаний в цепи контура генератора.

Амплитудная модуляция является наиболее простой и широко применяется в радиовещании. Существует частотная модуляция, которую сложно осуществить технически и частотно-модулированный сигнал занимает большую полосу частот, чем амплитудно-модулированный. Но зато частотно-модулированный сигнал менее чувствителен к разного рода помехам, искажающим передаваемую информацию. Поэтому частотная модуляция используется для передачи в диапазоне УКВ, где на каждую станцию может быть выделена достаточно большая полоса частот (в 15-20 раз большая, чем в диапазоне средних и длинных волн).

Детектирование колебаний

Под действием электромагнитной волны передатчика в антенне приемника возбуждаются токи высокой частоты, такие же как токи в антенне передатчика, но только гораздо более слабые. Принятый приемником модулированный сигнал даже после усиления не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он только возбудит высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Кроме того, амплитуда вынужденных колебаний такой механической системы, как мембрана, при большой частоте очень мала. Вследствие инертности мембрана не будет успевать смещаться сколько-нибудь значительно за малое время, равное периоду высокочастотных колебаний. В приемнике необходимо сначала преобразовать высокочастотные модулированные колебания и получить сигнал звуковой частоты. При этом преобразовании сигнала, как и при модуляции, меняется частотный спектр колебаний. Поэтому должно быть применено устройство с нелинейной характеристикой.

Такое устройство, осуществляющее демодуляцию, или детектирование, содержит обычно элемент с односторонней проводимостью — детектор. Детектором может служить полупроводниковый диод или транзистор, вакуумный диод или триод. Мы рассмотрим работу полупроводникового детектора. На рисунке 22 изображена схема цепи, на вход которой поданы принятые антенной высокочастотные модулированные колебания.

В цепь последовательно включены детектор (диод) и резистор (нагрузка). Пренебрегая обратным током, можно считать, что в цепи течет ток в одном направлении, отмеченном на рисунке стрелкой. В результате ток в цепи будет пульсирующим. График зависимости силы тока от времени для этого случая показан на рисунке 23.

Этот пульсирующий ток сглаживается фильтром, состоящим из конденсатора С, шунтирующего резистор R (рис. 24).

Сглаженный ток звуковой частоты течет через нагрузку. Форма колебаний этого тока почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции (рис. 25, а). Этот ток можно рассматривать как сумму постоянного тока (рис. 25, б) и переменного тока низкой частоты (рис. 25, в). Небольшие пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

Простейший детекторный приемник состоит из колебательного контура, индуктивно связанного с антенной, и присоединенной к контуру цепи, состоящей из детектора и телефона (рис. 26). Катушки телефона играют роль нагрузки. Через них течет ток звуковой частоты. Детекторный приемник очень прост, надежен, не требует источников питания. Однако отсутствие источников питания является и недостатком приемника: он принимает сигналы только близких или очень мощных радиостанций.

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами. Радиоволны делятся на группы.

Наименование радиоволн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длин волн (в вакууме), м
Сверхдлинные	< 3∙10 4	> 10 000
Длинные	3∙10 4 – 3∙10 5	10000 – 1000
Средние	3∙10 5 – 3∙10 6	1000 – 100
Короткие	3∙10 6 – 3∙10 7	100 – 10
Ультракороткие:
метровые	3∙10 7 – 3∙10 8	10 – 1
дециметровые	3∙10 8 – 3∙10 9	1 – 0,1
сантиметровые	3∙10 9 – 3∙10 10	0,1 – 0,01
миллиметровые	3∙10 10 – 3∙10 11	0,01 – 0,001

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, 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, испускаемых Солнцем.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

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 (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Короткие волны (λ < 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли (рис. 27). Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой. Все же наиболее надежная радиосвязь на ограниченных расстояниях при достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на длинных волнах.

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

Урок 42. Открытие электромагнитных волн

2. Опишите процесс возникновения электромагнитной волны.

3. Что такое электромагнитная волна?

4. От чего зависит скорость электромагнитной волны?

II. Самостоятельная работа

1. Что такое электромагнитные волны?

А. Распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.

Б. Распространяющееся в пространстве переменное электрическое поле.

В. Распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

2. Каковы основные положения теории электромагнитного поля Максвелла?

А. При всяком изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле, распространяющееся со скоростью света.

Б. При всяком изменении магнитного поля возникает переменное вихревое электрическое поле, распространяющееся в окружающем пространстве со скоростью света.

В. При всяком изменении магнитного поля возникает переменное вихревое электрическое поле, у которого вектор напряженности Е: При изменении электрического поля возникает магнитное, у которого вектор индукции распространяется в окружающем пространстве со скоростью света.

3. Как в воздухе изменится длина электромагнитных волн, излучаемых колебательным контуром, если емкость колебательного контура увеличить в 4 раза?

А. Уменьшится в 4 раза.

Б. Увеличится в 2 раза.

В. Увеличится в 4 раза.

4. Какова взаимная ориентация векторов В, Е, V?

А. Все три вектора взаимно перпендикулярны.

Б. Вектор В совпадает с вектором Е и перпендикулярен вектору V.

В. Вектор В совпадает с вектором V, но перпендикулярен вектору Е.

5. Определите частоту колебаний электромагнитных волн, если длина их 2 см.

6. Как должна двигаться заряженная частица, чтобы возникло электромагнитное излучение?

А. С постоянной скоростью.

Б. Находиться в покое.

В. Двигаться с ускорением.

7. Можно ли выбрать систему отсчета, в которой обнаружилась бы только магнитная составляющая В?

Б. Можно, если система будет двигаться с такой же скоростью, что и электрон.

В. Можно, если система будет двигаться со скоростью, большей скорости электрона.

Ответы: 1. В. 2. В. 3. Б. 4. А. 5. В. 6. В. 7. А.

III. Изучение нового материала

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрического и магнитного полей. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля, и наоборот. Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимы электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Их можно получить с помощью колебательного контура.

Г. Герц для получения электромагнитных волн использовал устройство, которое сейчас называют вибратором Герца. (Представляет собой открытый колебательный контур.)

Для возбуждения колебаний в таком контуре провод разрезали посередине, оставляя небольшой воздушный промежуток. Обе части провода заряжали до высокой разности потенциалов, когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра, цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания. Они затухали, так как у контура есть активное сопротивление вибратор излучал электромагнитную волну и терял энергию.

Электромагнитные волны регистрировались с помощью приемного вибратора (резонатор), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитные волны в приемнике возбуждали колебание тока. Если собственная частота приемника совпадала с частотой электромагнитной волны, наблюдался резонанс. Колебания в резонаторе происходили с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.

Герц обнаружил эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн.

Демонстрация свойств электромагнитных волн при помощи СВЧ генератора. Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль оси.

1. Поглощение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны обладают рядом важных свойств.

1. Излучаются ускоренно движущимися зарядами, причем Е

2. Электромагнитные волны могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме.

3. Скорость в вакууме — совпадает со скоростью света.

4. Скорость электромагнитных волн в веществе ниже, чем скорость в вакууме.

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

6. Электромагнитные волны могут поглощаться веществом.

7. Преломляются и отражаются. (Демонстрация.)

8. Электромагнитная волна поперечна. (Демонстрация.)

9. Плотность электрического поля в электромагнитной волне равна плотности магнитного поля.

10. Плотность энергии электромагнитного поля в распространяющейся в вакууме волне пропорциональна квадрату электрической напряженности:

11. Интенсивность электромагнитной волны пропорциональна среднему квадрату напряженности электрического поля в волне.