"Физика. Колебания и волны (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Электромагнитное излучение возникает при ускоренном движении электрических зарядов и переносит энергию через пространство. Переменный ток создаёт изменяющиеся электрическое и магнитное поля, которые поддерживают друг друга и распространяются в виде волны. Разберём работу вибратора Герца, связь частоты с длиной волны, зависимость интенсивности излучения от амплитуды и способы обнаружения волн.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитное излучение — процесс испускания источником электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве. Источником может быть проводник с переменным током или система колеблющихся зарядов. Это понятие описывает сам процесс передачи энергии от источника наружу.
Электромагнитная волна — распространяющееся переменное электромагнитное поле, способное переносить энергию. В волне изменяются связанные друг с другом электрическое и магнитное поля. Такое определение помогает отличать волну от поля, которое просто существует около неподвижного заряда.
Ускоренный электрический заряд — заряд, движущийся с изменяющейся скоростью. Ускорение появляется не только при изменении численного значения скорости, но и при изменении её направления. Именно ускоренные заряды являются источниками электромагнитного излучения.
Вибратор Герца — простейшая система для получения и обнаружения электромагнитных волн с помощью колеблющихся зарядов. Обычно это два металлических проводника с небольшим промежутком между ними. Вибратор нужен, чтобы сделать излучение и его регистрацию наглядными в опыте.
Равномерно движущийся заряд не излучает электромагнитную волну, потому что его скорость и связанное с ней поле не изменяются со временем. При ускорении заряд меняет окружающее электрическое поле. Изменение не перестраивается мгновенно во всём пространстве, поэтому от источника начинает распространяться возмущение поля.
В проводнике с переменным током электроны движутся взад и вперёд, то есть их скорости постоянно изменяются. Из-за этого электрическое поле около проводника также меняется. Изменяющееся электрическое поле связано с появлением изменяющегося магнитного поля, поэтому переменный ток становится источником электромагнитного излучения.
Переменное магнитное поле, в свою очередь, поддерживает изменение электрического поля. Поэтому для дальнейшего распространения волны уже не требуется, чтобы каждый следующий участок пространства содержал проводник или другие заряды. Возникает самоподдерживающаяся последовательность изменений электрического и магнитного полей.
Эти изменения удаляются от источника с определённой скоростью и переносят энергию. В вакууме скорость электромагнитной волны равна c ≈ 3 · 10⁸ м/с, а в воздухе почти такая же. Частота волны совпадает с частотой колебаний зарядов в источнике, поэтому периодические изменения источника задают свойства излучения.
Вибратор Герца получают из закрытого колебательного контура, раздвигая его концы: так контур становится открытым и лучше излучает в пространство. Между концами металлических стержней может возникать искровой разряд, возбуждающий быстрые колебания зарядов. Другой вибратор или проводник с искровым промежутком позволяет обнаружить волну по возникновению наведенных колебаний и разряда.
| Характеристика | Источник излучения | Распространяющаяся волна |
|---|---|---|
| Необходимое условие | Изменение скорости заряда | Изменяющиеся электрическое и магнитное поля |
| Направление распространения энергии | От колеблющихся зарядов наружу | От источника через пространство |
| Связь частоты и длины волны | Частота задаётся колебаниями зарядов | λ = v/ν |
| Зависимость интенсивности от источника | При большей амплитуде колебаний излучение обычно интенсивнее | Большая интенсивность означает больший поток энергии |
| Способ обнаружения | По созданию переменного поля | По наведённым колебаниям или току в приёмнике |
Сначала по таблице определяют, идёт ли речь о процессе в источнике или о свойствах уже распространяющейся волны. Затем используют соответствующую формулу и проверяют единицы величин. Особенно полезно сопоставлять частоту источника с частотой волны: они равны.
Условие: определить, будет ли излучать электромагнитные волны заряд, движущийся по прямолинейному участку с постоянной скоростью. Нужно отличить само движение от ускоренного движения. Для этого проверим изменение скорости.
Ответ: нет, на рассматриваемом прямолинейном участке заряд не излучает электромагнитные волны.
Условие: вибратор колеблется с частотой ν = 100 МГц в воздухе. Найти длину электромагнитной волны. Скорость в воздухе принимаем равной c = 3 · 10⁸ м/с.
Ответ: длина волны в воздухе приблизительно равна 3 м.
Условие: два вибратора имеют одинаковую частоту, но амплитуда колебаний зарядов у первого больше. Сравним интенсивность их излучения. Частота определит длину волны, а амплитуда повлияет на энергию колебаний.
Ответ: более интенсивно излучает первый вибратор, у которого амплитуда колебаний зарядов больше.
Любой движущийся заряд излучает. Так считают, потому что смешивают движение с ускорением. Проверьте, изменяется ли скорость по величине или направлению: излучение связывают именно с ускоренным движением.
Электрическое поле порождает только электрическое поле. Ошибка возникает при рассмотрении полей по отдельности. При изменении электрического поля появляется связанное с ним магнитное поле, а изменения обоих полей распространяются совместно.
Частота источника и волны различается. Иногда забывают, что источник задаёт период изменения поля. Сверьте частоту колебаний зарядов с частотой волны: для излучения они совпадают.
Волна обязательно требует материальной среды. Это представление перенесено с механических волн. Электромагнитное поле может распространяться в вакууме, поэтому проверьте, не подменено ли понятие электромагнитной волны механической.
Для понимания излучения нужны знания о колебаниях, переменном токе, электрическом и магнитном полях. Также потребуется связь между скоростью, частотой и длиной волны: λ = v/ν. Эти идеи соединяют описание источника и описание волны.
Тема служит основой для изучения радиосвязи, антенн, радиоволн, света и электромагнитного спектра. Различные виды излучения отличаются частотой, длиной волны и энергией, но подчиняются общим закономерностям.
Понимание излучения объясняет работу передатчиков, приёмников и беспроводной связи. Передатчик создаёт колебания зарядов и излучает волну, а приёмник регистрирует наведённые ею колебания.
Почему заряд, движущийся равномерно, не излучает электромагнитные волны?
При равномерном движении скорость заряда не изменяется, поэтому ускорение равно нулю. Электромагнитное излучение возникает именно при изменении скорости заряда, а не просто при его движении.
Почему для распространения электромагнитной волны не нужна материальная среда?
Волна представляет собой распространяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти поля могут существовать и изменяться в вакууме, поэтому электромагнитной волне не нужны частицы вещества.
Как переменный ток создаёт электромагнитную волну?
Переменный ток означает периодическое движение зарядов с изменяющейся скоростью. Он создаёт переменное электрическое поле, а это поле связано с переменным магнитным полем; их изменения удаляются от проводника в виде волны.
Зачем в опытах используют вибратор Герца?
Вибратор Герца позволяет получить электромагнитные волны с помощью быстрых колебаний зарядов в открытом контуре. С его помощью можно исследовать излучение и обнаруживать волну на расстоянии.
От чего зависит длина электромагнитной волны?
Длина волны определяется скоростью её распространения и частотой: λ = v/ν. В вакууме и примерно в воздухе используют формулу λ = c/ν, поэтому при большей частоте длина волны меньше.
§ 5.4. Излучение электромагнитных волн
