"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Глазунов А.Т., Орлов В.А. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении зарядов и распространяются в пространстве как взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Для их генерации замкнутый колебательный контур превращают в открытый, а антенна поддерживает в нём вынужденные колебания. Частота волны задаётся генератором, а длина определяется формулой λ = c/ν. Эффективность излучения зависит от согласования размеров антенны с длиной волны.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. В ней электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Это определение помогает отличать волну от поля, которое просто меняется около источника.
Электромагнитное излучение — процесс испускания электромагнитных волн ускоренно движущимися зарядами. При ускорении поле заряда изменяется не во всём пространстве одновременно, а распространяет это изменение наружу. Понятие нужно, чтобы связать источник волны с движением его зарядов.
Открытый колебательный контур — система, в которой переменные электрическое и магнитное поля могут распространяться в окружающее пространство. В отличие от обычного контура, поля здесь не заперты преимущественно внутри небольшого участка цепи. Такой контур используют для превращения электрических колебаний в излучение.
Антенна — проводящая система, предназначенная для эффективного излучения и приёма электромагнитных волн. В передающей антенне колеблются заряды, а в приёмной под действием волны возникает переменный ток. Поэтому одна и та же конструкция может работать как источник или как приёмник.
В замкнутом колебательном контуре конденсатор и катушка расположены близко, поэтому электрическое поле главным образом сосредоточено между обкладками, а магнитное — внутри и рядом с катушкой. Энергия переходит из электрической формы в магнитную и обратно, но почти не покидает контур. При увеличении размеров системы поля занимают всё больший объём и перестают быть связанными только с отдельными деталями. Поэтому часть энергии начинает распространяться от контура в виде электромагнитной волны.
Открытый контур можно представить как конденсатор, обкладки которого раздвигают и вытягивают в проводники, соединённые с катушкой. Между удалёнными концами возникает переменный электрический диполь: знаки зарядов на концах периодически меняются, а расстояние между областями зарядов становится значительным. Переменный ток в проводниках создаёт вокруг них переменное магнитное поле. Совместное изменение обоих полей и приводит к переносу энергии от системы наружу.
Заряды в антенне движутся не просто по проводнику, а периодически меняют скорость и направление. Значит, они получают ускорение, а создаваемое ими поле непрерывно перестраивается. Изменение поля распространяется с конечной скоростью и образует электромагнитную волну. Если заряд движется равномерно и прямолинейно, его поле не отделяется от заряда как излучение, поэтому устойчивой волны не возникает.
Генератор поддерживает в антенне вынужденные электрические колебания, то есть заставляет заряды колебаться с заданной частотой. При совпадении частоты генератора с собственной частотой системы возникает резонанс, и амплитуда колебаний возрастает. Наиболее сильное излучение получают, когда характерный размер антенны согласован с длиной волны, например равен примерно четверти λ. Частота, длина волны и скорость связаны формулой c = λν, поэтому увеличение частоты уменьшает длину волны.
| Признак | Замкнутый колебательный контур | Открытый колебательный контур | Антенна |
|---|---|---|---|
| Распределение электрического поля | В основном между обкладками конденсатора | Пространственно разнесено между концами проводников | Меняется вдоль проводника и выходит в окружающее пространство |
| Распределение магнитного поля | Сосредоточено около катушки | Охватывает проводники с переменным током | Создаётся переменным током и распространяется вместе с электрическим полем |
| Движение зарядов | Колебательное движение внутри замкнутой цепи | Перемещение зарядов по разнесённым проводникам | Вынужденные колебания под действием генератора |
| Излучение энергии в пространство | Очень слабое | Заметное | Эффективное при настройке |
| Основная роль в генерации волн | Накапливает и обменивает энергию | Выводит поля из области контура | Излучает или принимает волну |
| Связь размеров системы с длиной волны | Размер обычно мал по сравнению с λ | Размеры делают сопоставимыми с λ | Настраивают, например, на λ/4 |
Таблица показывает, как постепенное раскрытие контура меняет поведение полей и усиливает излучение. При сравнении сначала смотрите на распределение полей, затем на движение зарядов и связь размеров с длиной волны. Антенна является практическим вариантом открытого контура, приспособленным к передаче или приёму энергии.
Генератор создаёт колебания частотой 1,0·10⁸ Гц. Нужно определить длину волны в вакууме. Используем скорость света c = 3,0·10⁸ м/с.
Ответ: длина волны равна 3,0 м.
Напряжение в открытом контуре изменяется по закону U = U₀ cos(2πνt), а период колебаний равен T. Требуется найти частоту излучения и длину волны. Частота излучения совпадает с частотой электрических колебаний в контуре.
Ответ: частота равна 1/T, а длина волны — cT. Если период задан числом, его подставляют в секунду, после чего длина получается в метрах.
Антенна эффективно излучает на частоте 75 МГц. Её характерный размер равен четверти длины волны. Нужно оценить этот размер и объяснить настройку.
Ответ: характерный размер антенны примерно равен 1 м.
Ошибка: считать, что любые колеблющиеся заряды излучают одинаково. Излучение определяется ускорением зарядов и зависит от характера их движения, поэтому простого факта колебания недостаточно. Проверьте, меняются ли скорость и направление движения зарядов.
Ошибка: путать замкнутый и открытый контуры. В замкнутом контуре поле в основном локализовано, а в открытом оно может распространяться наружу. Для проверки представьте, где находятся электрическое поле, магнитное поле и путь тока.
Ошибка: записывать λ = ν/c вместо λ = c/ν. Такая запись даёт неверную размерность и означает, что при увеличении частоты длина волны растёт. Проверьте формулу через c = λν и оцените порядок результата.
Ошибка: направлять электрическое и магнитное поля вдоль распространения волны. В плоской электромагнитной волне оба поля перпендикулярны направлению распространения и друг другу. Удобно мысленно расположить три направления взаимно перпендикулярно.
Для понимания генерации волн нужны знания о колебательном контуре, электромагнитных колебаниях и переменном токе. Также понадобятся частота, период и длина волны, связанные формулами ν = 1/T и c = λν.
Практическое значение темы связано с радиосвязью и передачей информации. Передающая антенна излучает волну, а приёмная антенна преобразует энергию волны в электрические колебания.
Дальше эти идеи применяются при изучении свойств электромагнитных волн, радиоволн и света. Свет рассматривается как электромагнитная волна, а разные виды излучения объединяются в единую электромагнитную шкалу.
Почему обычный замкнутый колебательный контур плохо излучает электромагнитные волны?
В замкнутом контуре электрическое поле в основном сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное — около катушки. Поэтому энергия почти всё время остаётся внутри системы и лишь небольшая её часть уходит в пространство.
Что именно в антенне заставляет электромагнитную волну распространяться от неё?
В антенне заряды совершают переменное движение, создавая изменяющиеся электрическое и магнитное поля. Эти поля не успевают оставаться только около проводника и распространяются наружу в виде электромагнитной волны.
Почему для излучения необходимы ускоренно движущиеся заряды?
При ускорении заряд изменяет создаваемое им электромагнитное поле, и это изменение отделяется от заряда и переносит энергию. При равномерном движении поле перемещается вместе с зарядом, но самостоятельная электромагнитная волна не возникает.
Как по частоте генератора определить длину излучаемой волны?
Используют связь c = λν, откуда λ = c/ν. В вакууме и приближённо в воздухе c ≈ 3·10⁸ м/с, поэтому частоту нужно подставлять в герцах.
Почему размер антенны должен быть сопоставим с длиной электромагнитной волны?
При таком соотношении вдоль антенны устанавливается подходящее распределение зарядов и тока, а излучение усиливается. Если антенна слишком мала или её размер не согласован с длиной волны, значительная часть энергии остаётся в ближнем поле.
§ 20*. Генерация электромагнитных волн
