Меню

Как ток превращается в волну

Урок №3. Электричество и магнетизм. Электромагнитные волны.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Как вы сами уже догадываетесь, цель данного урока: освоить теоретические сведения касающиеся, электричества, магнетизма и проследить связь между этими двумя понятиями. Потому что именно благодаря магнитным (электромагнитным) явлениям, мы можем получить электричество, без которого сейчас не мыслима жизнедеятельность человека. В конце урока вас ждет не сложная, но довольно интересная практическая работа.

Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Вы можете в этом убедиться, если сами проведете аналогичный опыт. Для этого потребуются: батарея гальванических элементов, например 3336Л, миниатюрная лампа накаливания, предназначаемая для карманного электрического фонаря, медный провод толщиной 0,2 — 0,3 мм в эмалевой, хлопчатобумажной или шелковой изоляции и компас. С помощью отрезков провода, удалив с их концов изоляцию, подключите к батарее лампу накаливания. Лампа горит, потому что образовалась электрическая цепь. Батарея в данном случае является источником питания этой цепи. Поднесите один из соединительных проводников поближе к компасу, смотрите рис. и вы увидите, как его магнитная стрелка сразу же станет поперек проводника. Она укажет направление круговых магнитных силовых линий, рожденных током.

При изменении направления тока в проводнике меняется и направление линий магнитного поля. При изменении направления тока в проводнике меняется и направление линий магнитного поля.

Наиболее сильное магнитное поле тока будет возле самого проводника. По мере удаления от проводника магнитное поле, рассеиваясь, ослабевает.
А если изменить направление тока в проводнике, поменяв местами подключение его к полюсам батареи? Изменится и направление магнитных силовых линий — магнитная стрелка повернется в другую сторону. Значит, направление силовых линий магнитного поля, возбуждаемого током, зависит от направления тока в проводнике.
Какова в этих опытах роль лампы накаливания? Она служит как бы индикатором наличия тока в цепи. Она, кроме того, ограничивает ток в цепи. Если к батарее подключить только проводник, магнитное поле тока станет сильнее, но батарея быстро разрядится.
Если в проводнике течет постоянный ток неизменного значения, его магнитное поле также не будет изменяться. Но если ток уменьшится, то слабее станет и его магнитное поле. Увеличится ток, усилится его магнитное поле, исчезнет ток — магнитное поле пропадет. Словом, ток и его магнитное поле неразрывно связаны и взаимно — зависимы.
Магнитное поле тока легко усилить, если проводник с током свернуть в катушку. Силовые линии магнитного поля такой катушки можно сгустить, если внутрь ее поместить гвоздь или железный стержень. Такая катушка с сердечником станет электромагнитом, способным притягивать сравнительно тяжелые железные предметы. Это свойство тока используется во множестве электрических приборов.

Проводник с током, свернутый в катушку, становится электромагнитом.

А если магнитную стрелку поднести к проводу с переменным током? Она станет неподвижной, даже если провод свернуть в катушку. Значит ли это, что вокруг проводника с переменным током нет магнитного поля? Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка не будет отклоняться только вследствие своей «неповоротливости» — инерционности, она не будет успевать следовать за быстрыми изменениями магнитного поля.
Первый электромагнит, основные черты которого сохранились во многих современных электрических приборах, например в электромагнитных реле, излучателях головных телефонов, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сделал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет ток, способны совершать механическую работу: если ток в обоих проводниках течет в одном направлении, то они притягиваются, а если в противоположных, отталкиваются.
Догадываетесь, почему так происходит? В первом случае, когда направление тока в обоих проводниках одинаково, их магнитные поля, также имеющие одинаковое направление, как бы стягиваются в единое поле, увлекая за собой проводники. Во втором случае магнитные поля вокруг проводников, имеющие теперь противоположные направления, отталкиваются и тем самым раздвигают проводники.
В первой половине прошлого столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик — самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индукции. Суть его заключается в следующем. Если внутрь катушки из изолированной проволоки быстро ввести магнит, стрелка электроизмерительного прибора, подключенного к концам катушки, на мгновение отклонится от нулевой отметки на шкале прибора.

Энергия магнитного поля создает движение электронов - электрический ток.

При таком же быстром движении магнита внутри катушки, но уже в обратном направлении, стрелка прибора также быстро отклонится в противоположную сторону и вернется в исходное положение. Вывод мог быть один: магнитное поле пересекает провод и возбуждает (индуцирует) в нем движение свободных электронов — электрический ток. Впрочем, можно поступить иначе: перемещать не магнит, а катушку вдоль неподвижного магнита. Результат будет такой же. Магнит можно заменить катушкой, в которой течет постоянный ток. Магнитное поле этой катушки, вызванное током, при пересечении витков второй катушки также будет возбуждать в ней электродвижущую силу, создавая в ее цепи электрический ток.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия генератора переменного тока, представляющего собой катушку из провода, вращающуюся между полюсами сильного магнита или электромагнита (на рис. катушка показана в виде одного витка провода).

Схема генератора переменного тока.

Вращаясь, катушка пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней индуцируется (вырабатывается) электрический ток. В 1837 г. русский академик Б. С. Якоби открыл явление, обратное по действию генератора тока. Через катушку, помещенную в магнитном поле, ученый пропускал ток, и катушка начинала вращаться. Это был первый в мире электромагнитный двигатель. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, опытным путем обнаружил еще очень важное явление — возможность передавать переменный ток из катушки в катушку на расстояние без какой — либо прямой электрической связи между ними. Суть этого явления заключается в том, что переменный или прерывающийся (пульсирующий) ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое пересекает витки второй катушки и тем самым возбуждает в ней переменную ЭДС. На этой основе создан замечательный прибор, который называется трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

Опыты Майкла Фарадея и его соотечественника и последователя Кларка Максвелла привели ученых к выводу, что переменное магнитное поле, рождаемое непрерывно изменяющимся током, создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, магнитное поле — электрическое и т.д. Взаимосвязанные, создаваемые друг другом магнитное и электрическое поля образуют единое переменное электромагнитное поле, которое непрерывно, как бы отделяясь и удаляясь от места возбуждения его, распространяется во всем окружающем пространстве со скоростью света, равной 300 000 км/с. Явление возбуждения переменным током электромагнитных полей принято называть излучением электромагнитных колебаний или излучением электромагнитных волн. Встречая на своем пути проводники, магнитные составляющие электромагнитных колебаний возбуждают в этих проводниках переменное электрическое поле, создающее в них такой же переменный ток, как ток, возбудивший электромагнитные волны, только несравненно слабее. На этом замечательном явлении и основана техника радиопередачи и радиоприема.

Длина волны есть расстояние, проходимое волной за один период, т. е. за время одного колебания. Зная скорость распространения радиоволн и частоту, можно определить длину волны.

Графическое изображение длины волны

Пусть, например, частота тока в антенне радиопередатчика составляет 1 000 000 гц. Тогда период колебания равен 0,000 001 сек. За одну секунду радиоволна проходит 300 000000 м, а за 0,000 001 сек она пройдет расстояние в миллион раз меньше, т. е. 300 м. Это и есть длина волны. Если частота тока станет вдвое меньше и будет составлять 500000 гц, то период колебания станет равным 0,000 002 сек. За это время радиоволна пройдет путь в 600 м. Чем меньше частота, тем больше длина волны, и наоборот.

Длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу.

Длину радиоволны всегда можно вычислить, если разделить скорость распространения, равную 300 000 км/сек, на частоту. Чтобы длина волны получилась в метрах, скорость распространения следует принимать 300 000 000 м/сек

Зависимость длины волны от частоты

и наоборот если нам необходимо найти частоту:

Формула расчета частоты переменного тока через длину волны

Если говорить о длине волны, то нам следует упомянуть об условии возникновения радиоволны.Радиоволна — это ток высокой частоты. Токами высокой частоты называют токи,частота которых свыше 10 000 Гц. Когда такие токи циркулируют в проводнике они производят электромагнитные волны. Отделяясь от проводника полны распространяются в виде колец радиус которых увеличивается со скоростью 300 000 000 м/с.

Читайте также:  Пульсации выпрямленного тока это

Как происходит процесс излучения радиоволны

ДЛИНА ВОЛНЫ.

Так что же такое длина волны? — это расстояние между двумя электромагнитными кольцами, которые последовательно отделяются от антенны. За каждый период тока высокой частоты отделяется одно кольцо. Таким образом когда второе кольцо отделяется от антенны, первое уже прошло некоторое расстояние называемое длиной волны.

Равенство скорости распространения электромагнитных волн, создаваемых переменным током, и скорости света не случайно, потому что световые лучи, как, между прочим, и тепловые, по своей природе тоже электромагнитные колебания. Мысль о родстве световых и электрических явлений высказал русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов еще в середине XVIII в. Теорию электромагнитных волн развил Кларк Максвелл в первой половине прошлого столетия. Однако только в 1888 г. немецкому ученому Генриху Герцу удалось опытным путем доказать сам факт существования электромагнитных волн и найти возможность обнаружить их. В его опытной установке излучателем электромагнитных волн был вибратор — два стержня с металлическими шарами на концах, источником напряжения питания вибратора — индукционная катушка Румкорфа (есть в каждом школьном физическом кабинете), а обнаруживателем электромагнитной энергии — резонатор, представляющий собой незамкнутый виток провода, тоже с шарами на концах.

Опытная установка Г. Герца для возбуждения и обнаружения электромагнитных волн и графическое изображение затухающих электромагнитных волн.

Половинки вибратора заряжались до столь высокого напряжения, что между внутренними шарами через воздух проскакивала электрическая искра — искусственная молния в миниатюре. Происходил — электрический разряд. В этот момент, длившийся малые доли секунды, вибратор излучал короткую серию быстропеременных затухающих, т.е. убывающих по амплитуде, электромагнитных волн. Пересекая провод резонатора, расположенного поблизости, электромагнитная энергия возбуждала в нем электрические колебания, о чем свидетельствовала очень слабая искра, появлявшаяся между шарами резонатора. Еще разряд и новая очередь затухающих электромагнитных колебаний возбуждала в резонаторе слабый переменный ток. Так Генрих Герц нашел способ возбуждения электромагнитных волн и обнаружения их. Но он не представлял себе путей практического использования своего открытия.

Важные понятия и моменты, которые необходимо запомнить из этого урока: что такое магнитное поле, как оно воздействует на окружающие предметы, основные условия необходимые для возникновения магнитного поля. Понятие электромагнетизма и электромагнитной индукции, а так же условия возникновения электромагнитных колебаний под действием переменного тока — электромагнитные волны.

Содержание курса и следующий урок можете найди здесь.

Источник

Как ток превращается в волну

Раздел ОГЭ по физике: 3.14. Переменный электрический ток. Электромагнитные колебания и волны. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные колебания

☑ Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряжённости E и индукции B. Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.

Обратие внимание! Существует близкий термин — электрические колебания. Это периодические ограниченные изменения величин заряда, тока или напряжения. Переменный электрический ток является одним из видов электрических колебаний.

Максвеллом было теоретически показано, а Герцем экспериментально доказано, что изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, в свою очередь переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т.е. в пространстве происходят изменения (колебания) характеристик электромагнитного поля.

Электромагнитные колебания происходят в колебательной системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.

Если зарядить конденсатор и затем замкнуть его на катушку, то по цепи пойдёт электрический ток. При этом конденсатор начнёт разряжаться. Сначала сила тока в цепи будет увеличиваться, и появится ток самоиндукции, препятствующий увеличению основного тока и направленный против него. Через 1/2 часть периода конденсатор полностью разрядится, а сила тока в катушке станет максимальной. Затем сила тока начнет уменьшаться. Ток самоиндукции, который при этом возникнет, будет стремиться поддержать основной ток и будет направлен так же, как и он. Через 1/4 часть периода ток прекратится, и конденсатор перезарядится. Затем пойдет обратный процесс.

Таким образом, в колебательном контуре происходят электромагнитные колебания, т.е. периодические изменения заряда, силы тока, электрического и магнитного полей. Колебания, происходящие в колебательном контуре, благодаря начальному запасу энергии в конденсаторе называются свободными. В процессе колебаний энергия извне в контур не поступает.

Минимальный промежуток времени, через который процесс в колебательном контуре полностью повторяется, называется периодом (Т) электромагнитных колебаний. За период колебаний заряд на обкладках конденсатора изменяется от максимального значения до следующего максимального значения того же знака, или сила тока изменяется от максимального значения до следующего максимального значения при том же направлении тока.

Характеризуя электромагнитные колебания, часто говорят об их частоте. Частотой (v) колебаний называют число полных колебаний в одну секунду. Частота обратна периоду колебаний. Единицей частоты является 1 Гц. Частоту электромагнитных колебаний часто измеряют в килогерцах (1 кГц = = 1000 Гц) и в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц).

Электромагнитные волны

Подобно тому как механические колебания распространяются в пространстве в виде механических волн, электромагнитные колебания распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. Многочисленные эксперименты показывают, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Если в какой-либо точке пространства возникает переменное электрическое поле, то в соседних точках оно возбуждает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает переменное электрическое поле и т.д. Таким образом, можно говорить об электромагнитном поле. Это поле и распространяется в пространстве.

☑ Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Они характеризуются определённой длиной волны λ. Длина волны — это расстояние, на которое перемещается электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний (Т). λ = сТ или λ = c/v, где с — скорость распространения электромагнитной волны, v — частота колебаний.

Электрически заряженные частицы могут колебаться с различной частотой. Соответственно, излучаемые при этом электромагнитные волны имеют разную длину волны. Поэтому диапазон частот электромагнитных волн очень широк: он лежит в пределах от 0 до 10 22 Гц, а длина волны — в пределах от 10 –14 м до бесконечности. По длине волны или по частоте электромагнитные волны можно разделить на восемь диапазонов. Обладая рядом общих свойств (интерференция, дифракция), волны разной частоты имеют и специфические свойства.

Переменный электрический ток

Любой ток, изменяющийся по времени, называют переменным. Чаще всего под переменным электрическим током понимают ток, изменяющийся по гармоническому закону.

Переменный электрический ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Переменный электрический ток

Автор: Донор — собственная работа. Это векторное изображение содержит элементы, заимствованные из другого изображения: Types of current.svg., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52957447

Хотя переменный ток часто переводят на английский как alternating current, эти термины не являются эквивалентными. Термин alternating current (AC) в узком смысле означает синусоидальный ток, в широком смысле — периодический знакопеременный ток (то есть периодический двунаправленный ток). Условное обозначение на электроприборах: ≈ (знак синусоиды), или латинскими буквами AC.

Переменное напряжение, необходимое для возникновения переменного тока, получается с помощью генератора переменного тока. В простейшей модели генератора переменное напряжение возбуждается в замкнутой рамке сопротивлением R, которая равномерно вращается в однородном магнитном поле.

В этом случае сила переменного тока, текущего в рамке, определяется в соответствии с законом Ома:

Колебания напряжения на активном сопротивлении рамок совпадают по фазе с колебаниями силы тока.

Для характеристики действия переменного тока вводятся понятия действующей силы тока I и действующего напряжения U.

Действующей силой переменного тока I называют силу такого постоянного тока, который в том же проводнике и за то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.

Действующим напряжением переменного тока U называют напряжение такого постоянного тока, который в том же проводнике и за то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.

Действующие значения силы тока I и напряжения U определяются формулами:

где I, U — действующие значения тока и напряжения;
Im , Um — амплитудные значения тока и напряжения.

Амперметры и вольтметры, включенные в электрическую цепь переменного тока, измеряют действующие значения силы тока и напряжения.

Конспект урока «Электромагнитные колебания и волны».

Источник

Электромагнитные волны

теория по физике 🧲 колебания и волны

Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.

Как появляются и распространяются электромагнитные волны

Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.

Читайте также:  Плотность тока при электролизе сульфата меди

Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой. Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.

Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется от колеблющегося заряда во все стороны.

Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности → E и магнитной индукции → B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.

Урок 10. электромагнитные волны - Физика - 11 класс - Российская электронная школа

В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов → E и → B в любой точке совпадают по фазе.

Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.

Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).

Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.

Условия возникновения электромагнитных волн

Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.

Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.

Плотность потока электромагнитного излучения

Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.

На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.

Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.

Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м 2 (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.

Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:

Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).

Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = w cΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:

I = w c Δ t S S Δ t . . = w c

Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Плотность электромагнитной энергии — энергия электромагнитного излучения в единице объема. Обозначается как w. Единица измерения — Дж/м 3 .

Пример №1. Плотность потока излучения равна 6 мВт/м 2 . Найти плотность энергии электромагнитной волны.

w = I c . . = 6 · 10 − 3 3 · 10 8 . . = 2 · 10 − 11 ( Д ж м 3 . . )

Точечный источник излучения

Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.

Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.

Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.

Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR 2 . Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, получим:

I = Δ W S Δ t . . = Δ W 4 π Δ t . . · 1 R 2 . .

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

Пример №2. Плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 5 метров от точечного источника составляет 20 мВт/м 2 . Найти плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 10 метров от этого источника.

Расстояние по условию задачи увеличилось вдвое. Так как плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника, при увеличении расстояния вдвое интенсивность излучения уменьшится в 4 раза. То есть, она станет равной 5 мВт/м 2 .

Зависимость плотности потока излучения от частоты

Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.

Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.

Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения корня из числа 4 дважды:

4 √ 4 = √ √ 4 = √ 2 ≈ 1 , 4

Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.

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.

Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн
Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким.
Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн
Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его.
Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн
Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.
Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн
Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку.
Читайте также:  Сдвиг тока у резистора

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:

  • радиоволны;
  • оптическое излучение;
  • ионизирующее излучение.

Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.

Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.

В электромагнитной волне, распространяющейся со скоростью → v , происходят колебания векторов напряжённости электрического поля → E и индукции магнитного поля → B . При этих колебаниях векторы → v , → E , → B . имеют взаимную ориентацию:

Источник



Как ток превращается в волну

Формы волн переменного тока

Когда генератор вырабатывает напряжение переменного тока , это напряжение определенным образом меняет свою полярность с течением времени . Если посмотреть на график изменения полярности переменного напряжения, то можно увидеть «волну», известную как синусоида:

osnovias8

На графике напряжения, генерируемого электромеханическим генератором, изменение полярности происходит плавно, уровень напряжения меняется наиболее быстро на нулевой линии («точка пересечения») и наиболее медленно на пике. Если графически изобразить синусоидальную функцию в диапазоне от 0 до 360 градусов, то мы получим то же чередование, что представлено в таблице ниже:

Угол ( o ) Синус угла волна Угол ( o ) Синус угла волна
0.0000 ноль 180 0.0000 ноль
15 0.2588 + 195 -0.2588
30 0.5000 + 210 -0.5000
45 0.7071 + 225 -0.7071
60 0.8660 + 240 -0.8660
75 0.9659 + 255 -0.9659
90 1.0000 +максимум 270 -1.0000 -минимум
105 0.9659 + 285 -0.9659
120 0.8660 + 300 -0.8660
135 0.7071 + 315 -0.7071
150 0.5000 + 330 -0.5000
165 0.2588 + 345 -0.2588
180 0.0000 ноль 360 0.0000 ноль

Причина, по которой электромеханический генератор выдает переменный ток в виде синусоиды, тесно связана с физическими процессами его работы. Напряжение, возникающее на неподвижных обмотках при вращении магнита, пропорционально скорости изменения магнитных силовых линий, расположенных перпендикулярно обмоткам (Закон электромагнитной индукции Фарадея). Эта скорость будет наибольшей в моменты прохождения полюсов магнита в непосредственной близости от обмоток, и наименьшей, когда полюсы магнита находятся дальше всего от обмоток. Математически, скорость изменения магнитного потока при вращении магнита соответствует функции синусоиды, из чего можно сделать вывод, что напряжение, возникающее на обмотках, подчиняется той же функции.

Если проследить за изменением напряжения (возникающего на генераторе переменного тока) от любой точки синусоиды до точки, в которой форма волны начинает повторяться, мы увидим один цикл волны. Его легче всего заметить, если посмотреть на часть синусоиды между двумя максимумами или минимумами, а также между любыми соответствующими точками на графике. Отметки на горизонтальной оси графика представляют собой область синусоиды, а также угловое положение вала генератора при вращении (см. рисунок ниже).

osnovias9

Поскольку горизонтальная ось данного графика может обозначать как положение вала в градусах, так и время, циклы чаще всего измеряются в единицах времени: в секундах или долях секунды. В ходе измерений один цикл часто называют периодом волны. Период волны всегда составляет 360°, и время его прохождения зависит от скорости колебаний напряжения.

Более популярной мерой описания изменений напряжения переменного тока является скорость его колебаний или частота. Единицей измерения частоты является герц (Гц). Один Герц означает одно колебание волны (один полный цикл) за одну секунду. В Соединенных Штатах Америки стандартом сетевого напряжения принята частота 60 Гц. Это означает, что напряжение переменного тока совершает 60 полных циклов колебаний в секунду. В Европе и России, где стандарт частоты для линий электропередач составляет 50 Гц, напряжение переменного тока совершает 50 полных циклов колебаний в секунду. Радиопередатчик, вещающий на частоте 100 МГц, совершает 100 миллионов циклов колебаний в секунду.

До введения Герца частота просто выражалась как количество циклов в секунду. На старых измерительных приборах вместо Гц можно встретить старое обозначение ЦВС (Циклов В Секунду). Многие думают, что замена такой понятной единицы как «цикл в секунду» на герц влечет за собой потерю ясности. Подобное изменение произошло, когда стоградусная шкала для измерения температуры была заменена шкалой Цельсия. В наименовании «стоградусная шкала» отражены температуры таяния и кипения воды. Использование же имени собственного (Цельсий), никак не объясняет происхождение и значение единицы измерения.

Период и частота математически обратны друг другу. То есть, если период волны составляет 10 секунд , ее частота будет равна 0,1 Гц, или 1/10 цикла в секунду :

osnovias11

На рисунке ниже вы можете увидеть осциллограф. Этот прибор используется для отображения изменений напряжения во времени на графическом экране. Вам наверняка знакомы электрокардиографы, используемые в медицине для определения частоты сердечных ударов пациента в определенный промежуток времени. Электрокардиограф – это особый вид осциллографа, специально сконструированный для медицинских целей. Осциллографы общего назначения способны отображать на своем экране напряжения любых источников, представляя их в виде графика (с учётом времени в качестве независимой переменной). Знание взаимосвязи между периодом и частотой очень поможет вам при анализе напряжения переменного тока на экране осциллографа. Измеряя период волны на горизонтальной оси экрана осциллографа, и соотнося его со значением времени (в секундах), можно определить частоту в герцах.

osnovias12

Напряжение и ток никоим образом не являются единственными физическими переменными, подверженными изменению во времени. В повседневной жизни мы гораздо чаще сталкиваемся с таким явлением, как звук. Звук представляет собой попеременное сжатие и декомпрессию молекул воздуха (продольные волны) , субъективно интерпретируемые слухом как физическое ощущение. Поскольку переменный ток – это волновое явление, его поведение сходно с другими волновыми явлениями, в том числе и со звуком. По этой причине, звук (в особенности структурированная музыка) представляет собой отличную аналогию для понимания концепции переменного тока.

В музыкальных терминах частота эквивалентна высоте звука. Низкие ноты (туба или фагот) состоят из относительно медленных вибраций воздушных молекул (низкая частота). Высокие ноты (флейта или свисток) состоят из тех же вибраций воздуха, но колеблющихся с много большей скоростью (высокая частота). На рисунке ниже представлена таблица, представляющая фактические частоты для ряда обычных музыкальных нот.

osnovias13

Самые наблюдательные из вас заметят, что все ноты данной таблицы, обозначенные одним буквенным символом, имеют соотношение по частоте равное 2:1. Например, частота первой ноты, обозначенной буквой А (нота ля), составляет 220 Гц. Частота следующей по высоте ноты ля составляет уже 440 Гц (ровно в два раза больше циклов звуковой волны в секунду). Тот же коэффициент 2:1 имеет место для первой ноты ля-диез (233,08 Гц) и для следующей ноты ля-диез (466,16 Гц), а также для всех подобных пар нот в таблице.

На слух две ноты, частота которых различается в два раза, звучат как один и тот же звук. Такое сходство в звучании общепризнано в музыке, а самый короткий промежуток звукоряда, разделяющий одинаковые пары нот, называется октавой. Согласно этому правилу, следующая по высоте нота ля (на одну октаву выше от 440 Гц) будет иметь частоту 880 Гц, а частота ноты ля одной октавой ниже 220 Гц. будет равна 110 Гц. Вид клавиатуры пианино поможет нам расставить все по своим местам (cм. рисунок ниже).

osnovias14

Как видно, одна октава равна семи белым клавишам на клавиатуре пианино. Известная музыкальная символика (до-ре-ми-фа-соль-ля-си) –, а именно этот шаблон обессмертил причудливую песенку Роджерса и Хаммерстайна в «Звуках музыки» — составляет одну октаву от одной ноты «до» до другой.

Несмотря на то, что электромеханические генераторы и многие другие физические явления как правило выдают синусоиды, это не единственный существующий вид переменной волны. Электронные схемы могут генерировать и другие формы волн переменного тока. На рисунке ниже вы можете увидеть некоторые из них.

osnovias15

Эти формы волн ни в коем случае не охватывают все существующие волны в природе. Они представляют собой лишь зафиксированные под определенными названиями наиболее распространенные типы волн. Даже в цепях, в которых теоретически должны возникать «чистая» синусоида, квадрат, треугольник или зуб пилы, в реальности формируются искаженные версии перечисленных типов волн. Некоторые формы волн имеют настолько сложную структуру, что она не поддается какой либо классификации. Для упрощения ситуации можно сказать, что любая форма кривой, имеющая близкое сходство с правильной синусоидой именуется синусоидальной, а любая другая классифицируется как несинусоидальная. При разработке электронных схем всегда нужно учитывать формы волн переменного тока, так как от этого зависит функционирование схемы в целом.

Источник