regional Vladimir
industrial - comercial
liceu

eseu

Undele electromagnetice

Efectuat:
elev 11 clasa „B”.
Lvov Mihai
Verificat:

Vladimir 2001

Plan

1. Introducere ……………………………………………………… 3

2. Conceptul de undă și caracteristicile sale……………………………………… 4

3. Unde electromagnetice……………………………………… 5

4. Dovada experimentală a existenței
undele electromagnetice………………………………………… 6

5. Densitatea fluxului de radiație electromagnetică ……………. 7

6. Invenția radioului……………………………………………………….… 9

7. Proprietățile undelor electromagnetice …………………………………10

8. Modulare și detecție……………………………………………… 10

9. Tipuri de unde radio și propagarea lor……………………………………… 13

Introducere

Procesele ondulatorii sunt extrem de răspândite în natură. Există două tipuri de unde în natură: mecanice și electromagnetice. Undele mecanice se propagă în materie: gaz, lichid sau solid. Undele electromagnetice nu au nevoie de nicio substanță pentru propagarea lor, care, în special, includ undele radio și lumina. Un câmp electromagnetic poate exista în vid, adică într-un spațiu care nu conține atomi. În ciuda diferenței semnificative dintre undele electromagnetice și undele mecanice, undele electromagnetice se comportă ca unde mecanice în timpul propagării lor. Dar, ca și oscilațiile, toate tipurile de unde sunt descrise cantitativ de aceleași sau aproape aceleași legi. În munca mea, voi încerca să iau în considerare cauzele undelor electromagnetice, proprietățile și aplicațiile lor în viața noastră.

Conceptul de val și caracteristicile sale

val numite vibrații care se propagă în spațiu în timp.

Cea mai importantă caracteristică a unui val este viteza sa. Undele de orice natură nu se propagă prin spațiu instantaneu. Viteza lor este finită.

Când o undă mecanică se propagă, mișcarea este transmisă dintr-o parte a corpului în alta. Transferul de mișcare este asociat cu transferul de energie. Proprietatea principală a tuturor undelor, indiferent de natura lor, este transferul lor de energie fără transfer de materie. Energia provine dintr-o sursă care excită vibrații la începutul cordonului, snurului etc. și se propagă odată cu unda. Energia curge continuu prin orice sectiune transversala. Aceasta energie este compusa din energia cinetica a miscarii sectiunilor cordonului si energia potentiala a deformarii sale elastice. O scădere treptată a amplitudinii oscilațiilor în timpul propagării unei unde este asociată cu transformarea unei piese energie mecanicăîn interior.

Dacă capătul unui cordon de cauciuc întins este făcut să oscileze armonic cu o anumită frecvență v, atunci aceste vibrații vor începe să se propage de-a lungul cordonului. Oscilațiile oricărei secțiuni a cordonului apar cu aceeași frecvență și amplitudine ca și oscilațiile capătului cordonului. Dar numai aceste oscilații sunt deplasate în fază unele față de altele. Astfel de unde se numesc monocromatic.

Dacă schimbarea de fază între oscilațiile a două puncte ale cablului este egală cu 2n, atunci aceste puncte oscilează exact în același mod: la urma urmei, cos (2lvt + 2n) \u003d =cos2nvt. Se numesc astfel de fluctuații în fază(apar în aceleași faze).

Distanța dintre punctele cele mai apropiate unul de celălalt, care oscilează în aceleași faze, se numește lungime de undă.

Relația dintre lungimea de undă λ, frecvența v și viteza de propagare a undei c. Pentru o perioadă de oscilații, unda se propagă pe o distanță λ. Prin urmare, viteza sa este determinată de formulă

Din perioada Tși frecvența v sunt legate prin T = 1 / v

Viteza unei unde este egală cu produsul dintre lungimea de undă și frecvența de oscilație.

Undele electromagnetice

Acum ne întoarcem direct la luarea în considerare a undelor electromagnetice.

Legile fundamentale ale naturii pot da mult mai mult decât este conținut în faptele pe baza cărora sunt derivate. Una dintre acestea sunt legile electromagnetismului descoperite de Maxwell.

Printre nenumăratele, foarte interesante și implicatii importante, care decurg din legile maxwelliene ale câmpului electromagnetic, merită o atenție deosebită. Aceasta este concluzia că interacțiunea electromagnetică se propagă la o viteză finită.

Conform teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune, mișcarea unei sarcini modifică câmpul electric din apropierea acesteia. Acest câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ în regiunile învecinate ale spațiului. Un câmp magnetic alternant, la rândul său, generează un câmp electric alternativ etc.

Mișcarea sarcinii determină astfel o „explozie” a câmpului electromagnetic, care, în timp ce se răspândește, acoperă toate suprafețele mari din spațiul înconjurător.

Maxwell a demonstrat matematic că viteza de propagare a acestui proces este egală cu viteza luminii în vid.

Imaginați-vă că sarcina electrică nu este doar deplasată dintr-un punct în altul, ci este adusă în oscilații rapide de-a lungul unei linii drepte. Apoi câmpul electric din imediata apropiere a încărcăturii va începe să se schimbe periodic. Perioada acestor modificări va fi în mod evident egală cu perioada oscilațiilor sarcinii. Un câmp electric alternant va genera un câmp magnetic în schimbare periodică, iar acesta din urmă, la rândul său, va determina apariția unui câmp electric alternativ deja la o distanță mai mare de sarcină etc.

În fiecare punct al spațiului, electric și campuri magnetice se modifică periodic în timp. Cu cât punctul este mai departe de sarcină, cu atât vor ajunge mai târziu oscilațiile câmpului său. În consecință, la distanțe diferite de sarcină, apar oscilații cu faze diferite.

Direcțiile vectorilor oscilatori ai intensității câmpului electric și inducției câmpului magnetic sunt perpendiculare pe direcția de propagare a undei.

Unda electromagnetică este transversală.

Undele electromagnetice sunt emise de sarcini oscilante. Este esențial ca viteza de mișcare a unor astfel de sarcini să varieze în timp, adică să se miște cu accelerație. Prezența accelerației este condiția principală pentru radiația undelor electromagnetice. Câmpul electromagnetic este radiat într-un mod vizibil, nu numai atunci când sarcina fluctuează, ci și cu orice schimbare rapidă a vitezei sale. Intensitatea undei emise este cu atât mai mare, cu atât accelerația cu care se mișcă sarcina este mai mare.

Maxwell era profund convins de realitatea undelor electromagnetice. Dar nu a trăit ca să vadă descoperirea lor experimentală. La doar 10 ani de la moartea sa, undele electromagnetice au fost obținute experimental de Hertz.

Dovada experimentală a existenței

undele electromagnetice

Undele electromagnetice nu sunt vizibile, spre deosebire de undele mecanice, dar atunci cum au fost detectate? Pentru a răspunde la această întrebare, luați în considerare experimentele lui Hertz.

O undă electromagnetică se formează datorită interconectării câmpurilor electrice și magnetice alternative. Schimbarea unui câmp duce la apariția altuia. După cum știți, cu cât inducția magnetică se schimbă mai repede în timp, cu atât este mai mare puterea câmpului electric emergent. Și, la rândul său, cu cât câmpul electric se schimbă mai repede, cu atât este mai mare inducția magnetică.

Pentru formarea undelor electromagnetice intense, este necesar să se creeze oscilații electromagnetice de o frecvență suficient de mare.

Oscilațiile de înaltă frecvență pot fi obținute folosind un circuit oscilator. Frecvența de oscilație este 1/ √ LC. De aici se poate observa că va fi cu atât mai mare, cu atât inductanța și capacitatea circuitului sunt mai mici.

Pentru a obține unde electromagnetice, G. Hertz a folosit un dispozitiv simplu, numit acum vibrator Hertz.

Acest dispozitiv este un circuit oscilator deschis.

Este posibilă trecerea la un circuit deschis dintr-un circuit închis dacă plăcile condensatorului sunt depărtate treptat, reducându-le aria și, în același timp, reducând numărul de spire în bobină. În cele din urmă, va fi doar un fir drept. Acesta este circuitul oscilator deschis. Capacitatea și inductanța vibratorului Hertz sunt mici. Prin urmare, frecvența de oscilație este foarte mare.

Într-un circuit deschis, sarcinile nu sunt concentrate la capete, ci sunt distribuite pe tot conductorul. Curentul la un moment dat în toate secțiunile conductorului este direcționat în aceeași direcție, dar puterea curentului nu este aceeași în diferite secțiuni ale conductorului. La capete, este egal cu zero, iar la mijloc atinge un maxim (în circuitele convenționale de curent alternativ, puterea curentului în toate secțiunile este aceeași la un moment dat.) Câmpul electromagnetic acoperă, de asemenea, întreg spațiul din apropierea circuitului. .

Hertz a primit unde electromagnetice prin excitarea unei serii de impulsuri de curent alternativ rapid într-un vibrator folosind o sursă de înaltă tensiune. Oscilațiile sarcinilor electrice în vibrator creează o undă electromagnetică. Numai oscilațiile în vibrator sunt efectuate nu de o particulă încărcată, ci de un număr mare de electroni care se mișcă în mod concert. Într-o undă electromagnetică, vectorii E și B sunt perpendiculari unul pe celălalt. Vectorul E se află într-un plan care trece prin vibrator, iar vectorul B este perpendicular pe acest plan. Radiația undelor are loc cu intensitate maximă în direcția perpendiculară pe axa vibratorului. Nu există radiații de-a lungul axei.

Undele electromagnetice au fost înregistrate de Hertz folosind un vibrator receptor (rezonator), care este același dispozitiv ca și vibratorul radiant. Sub acțiunea unui câmp electric alternativ al unei unde electromagnetice, în vibratorul receptor sunt excitate oscilații de curent. Dacă frecvența naturală a vibratorului de recepție coincide cu frecvența undei electromagnetice, se observă rezonanța. Oscilațiile în rezonator apar cu o amplitudine mare atunci când acesta este situat paralel cu vibratorul radiant. Hertz a detectat aceste vibrații observând scântei într-un spațiu foarte mic între conductorii vibratorului receptor. Hertz nu numai că a primit unde electromagnetice, ci a și descoperit că se comportă ca alte tipuri de valuri.

Prin calcularea frecvenței naturale a oscilațiilor electromagnetice ale vibratorului. Hertz a putut determina viteza unei unde electromagnetice cu formula c \u003d λ v . S-a dovedit a fi aproximativ egală cu viteza luminii: c = 300.000 km/s. Experimentele lui Hertz au confirmat în mod strălucit predicțiile lui Maxwell.

Densitatea fluxului de radiație electromagnetică

Acum să trecem la luarea în considerare a proprietăților și caracteristicilor undelor electromagnetice. Una dintre caracteristicile undelor electromagnetice este densitatea radiației electromagnetice.

Luați în considerare o suprafață cu o zonă S prin care undele electromagnetice transportă energie.

Densitatea fluxului de radiație electromagnetică I este raportul dintre energia electromagnetică W care trece în timpul t printr-o suprafață perpendiculară pe razele cu o zonă S față de produsul dintre suprafața S și timpul t.

Densitatea fluxului de radiație, în SI, este exprimată în wați pe metru pătrat (W / m 2). Uneori, această cantitate este numită intensitatea undei.

După o serie de transformări, obținem că I = w c.

adică, densitatea fluxului de radiație este egală cu produsul dintre densitatea energiei electromagnetice și viteza de propagare a acesteia.

Ne-am întâlnit de mai multe ori cu idealizarea surselor reale de acceptare în fizică: un punct material, un gaz ideal etc. Aici ne vom întâlni cu încă unul.

O sursă de radiații este considerată o sursă punctuală dacă dimensiunile sale sunt mult mai mici decât distanța la care este estimat efectul său. În plus, se presupune că o astfel de sursă trimite unde electromagnetice în toate direcțiile cu aceeași intensitate.

Să luăm în considerare dependența densității fluxului de radiație de distanța până la sursă.

Energia pe care o poartă undele electromagnetice cu ele este distribuită pe o suprafață din ce în ce mai mare în timp. Prin urmare, energia transferată printr-o unitate de suprafață pe unitate de timp, adică densitatea fluxului de radiație, scade odată cu distanța de la sursă. Este posibil să aflați dependența densității fluxului de radiație de distanța până la sursă prin plasarea unei surse punctuale în centrul unei sfere cu o rază. R. aria suprafeței sferei S= 4 n R^2. Dacă presupunem că sursa în toate direcțiile în timpul t radiază energie W

Densitatea fluxului de radiație de la o sursă punctuală scade invers proporțional cu pătratul distanței până la sursă.

Să luăm acum în considerare dependența de frecvență a densității fluxului de radiație. După cum știți, radiația undelor electromagnetice are loc în timpul mișcării accelerate a particulelor încărcate. Puterea câmpului electric și inducerea magnetică a undei electromagnetice sunt proporționale cu accelerația dar emițătoare de particule. Accelerația armonică este proporțională cu pătratul frecvenței. Prin urmare, intensitatea câmpului electric și inducția magnetică sunt proporționale cu pătratul frecvenței

Densitatea de energie a câmpului electric este proporțională cu pătratul intensității câmpului. Energia câmpului magnetic este proporțională cu pătratul inducției magnetice. Densitatea totală de energie a câmpului electromagnetic este egală cu suma densităților de energie ale câmpurilor electrice și magnetice. Prin urmare, densitatea fluxului de radiație este proporțională cu: (E^2+B^2). De aici obținem că I este proporțional cu w^4.

Densitatea fluxului de radiație este proporțională cu puterea a patra a frecvenței.

invenția radioului

Experimentele lui Hertz au interesat fizicienii din întreaga lume. Oamenii de știință au început să caute modalități de a îmbunătăți emițătorul și receptorul undelor electromagnetice. În Rusia, Alexander Stepanovici Popov, profesor de cursuri de ofițeri la Kronstadt, a fost unul dintre primii care a studiat undele electromagnetice.

A. S. Popov a folosit un coherer ca o parte care „simte” direct undele electromagnetice. Acest dispozitiv este un tub de sticlă cu doi electrozi. În tub se pun pilituri mici de metal. Funcționarea dispozitivului se bazează pe efectul descărcărilor electrice asupra pulberilor metalice. În condiții normale, cohererul are o rezistență ridicată, deoarece rumegușul are un contact slab unul cu celălalt. Unda electromagnetică de intrare creează un curent alternativ de înaltă frecvență în coherer. Cele mai mici scântei sar printre rumeguș, care sinterizează rumegușul. Ca urmare, rezistența coererului scade brusc (în experimentele lui A.S. Popov de la 100.000 la 1000-500 ohmi, adică cu un factor de 100-200). Puteți readuce dispozitivul la rezistență ridicată, scuturându-l. Pentru a asigura recepția automată necesară comunicării fără fir, A. S. Popov a folosit un dispozitiv de sonerie pentru a agita cohererul după primirea semnalului. Circuitul soneriei electrice a fost închis cu ajutorul unui releu sensibil în momentul sosirii undei electromagnetice. Odată cu sfârșitul recepției valului, lucrul clopotului s-a oprit imediat, deoarece ciocanul clopotului a lovit nu numai cupa clopotului, ci și coererul. Odată cu ultima scuturare a cohererului, aparatul era gata să primească un nou val.

Pentru a crește sensibilitatea dispozitivului, A. S. Popov a pus la pământ unul dintre cablurile coerente și l-a conectat pe celălalt la o bucată de sârmă foarte ridicată, creând prima antenă de recepție pentru comunicații fără fir. Împământarea transformă suprafața conductivă a pământului într-o parte a unui circuit oscilator deschis, ceea ce mărește domeniul de recepție.

Deși receptoarele radio moderne seamănă foarte puțin cu receptorul lui A. S. Popov, principiile de bază ale funcționării lor sunt aceleași ca și în dispozitivul său. Un receptor modern are și o antenă în care unda de intrare provoacă oscilații electromagnetice foarte slabe. Ca și în receptorul lui A. S. Popov, energia acestor oscilații nu este utilizată direct pentru recepție. Semnalele slabe controlează doar sursele de energie care alimentează circuitele ulterioare. Acum, un astfel de control este efectuat folosind dispozitive semiconductoare.

La 7 mai 1895, la o reuniune a Societății Ruse de Fizică și Chimie din Sankt Petersburg, A. S. Popov a demonstrat funcționarea dispozitivului său, care, de fapt, a fost primul receptor radio din lume. 7 mai a fost ziua de naștere a radioului.

Proprietățile undelor electromagnetice

Dispozitivele moderne de inginerie radio fac posibilă efectuarea de experimente foarte demonstrative privind observarea proprietăților undelor electromagnetice. În acest caz, cel mai bine este să folosiți valurile din intervalul centimetrilor. Aceste unde sunt emise de un generator special de microunde. Oscilațiile electrice ale generatorului modulează frecvența sunetului. Semnalul primit după detectare este transmis la difuzor.

Nu voi descrie desfășurarea tuturor experimentelor, ci mă voi concentra pe cele principale.

1. Dielectricii sunt capabili să absoarbă unde electromagnetice.

2. Unele substanțe (de exemplu, metalul) sunt capabile să absoarbă unde electromagnetice.

3. Undele electromagnetice sunt capabile să-și schimbe direcția la limita dielectrică.

4. Undele electromagnetice sunt unde transversale. Aceasta înseamnă că vectorii E și B ai câmpului electromagnetic al undei sunt perpendiculari pe direcția de propagare a acesteia.

Modulare și detecție

De la inventarea radioului de către Popov, a trecut ceva timp când oamenii au vrut să transmită vorbire și muzică în loc de semnale telegrafice, constând din semnale scurte și lungi. Așa a fost inventată radiotelefonia. Luați în considerare principiile de bază ale funcționării unei astfel de conexiuni.

În comunicațiile radiotelefonice, fluctuațiile presiunii aerului într-o undă sonoră sunt convertite de un microfon în vibratii electrice aceeași formă. S-ar părea că dacă aceste vibrații sunt amplificate și introduse în antenă, atunci va fi posibilă transmiterea vorbirii și muzicii la distanță folosind unde electromagnetice. Cu toate acestea, în realitate, o astfel de metodă de transmitere nu este fezabilă. Faptul este că vibrațiile sunetului unei noi frecvențe sunt vibrații relativ lente, iar undele electromagnetice de joasă frecvență (sunet) nu sunt aproape deloc emise. Pentru a depăși acest obstacol, au fost dezvoltate modulația și detectarea, să le analizăm în detaliu.

Modulare. Pentru a realiza comunicarea radiotelefonică este necesară utilizarea vibrațiilor de înaltă frecvență radiate intens de antenă. Oscilațiile armonice continue de înaltă frecvență sunt generate de un oscilator, cum ar fi un oscilator tranzistor.

Pentru a transmite sunetul, aceste vibrații de înaltă frecvență sunt modificate, sau cum se spune, modulate, cu ajutorul vibrațiilor electrice de joasă (sunet) frecvență. Este posibilă, de exemplu, modificarea amplitudinii oscilațiilor de înaltă frecvență cu frecvența sunetului. Această metodă se numește modulare în amplitudine.

un grafic al oscilațiilor de înaltă frecvență, care se numește frecvență purtătoare;

b) un grafic al oscilațiilor frecvenței sunetului, adică oscilații modulante;

c) un grafic al oscilațiilor modulate în amplitudine.

Fără modulare, în cel mai bun caz, putem controla dacă stația funcționează sau silențioasă. Fără modulare, nu există transmisie de telegraf, telefon sau televiziune.

Modularea amplitudinii oscilațiilor de înaltă frecvență se realizează printr-un efect special asupra generatorului de oscilații continue. În special, modularea poate fi efectuată prin modificarea tensiunii create de sursă pe circuitul oscilator. Cu cât tensiunea pe circuitul generatorului este mai mare, cu atât este furnizată mai multă energie pe perioadă de la sursă la circuit. Aceasta duce la o creștere a amplitudinii oscilațiilor în circuit. Când tensiunea scade, scade și energia care intră în circuit. Prin urmare, amplitudinea oscilațiilor din circuit scade și ea.

În cel mai simplu dispozitiv pentru modularea amplitudinii, acestea sunt conectate în serie cu o sursă de tensiune constantă sursă suplimentară tensiune alternativă de joasă frecvență. Această sursă poate fi, de exemplu, înfășurarea secundară a unui transformator, dacă prin înfășurarea sa primară trece un curent de frecvență audio. Ca urmare, amplitudinea oscilațiilor în circuitul oscilator al generatorului se va modifica în timp odată cu modificările tensiunii la tranzistor. Aceasta înseamnă că oscilațiile de înaltă frecvență sunt modulate în amplitudine de un semnal de joasă frecvență.

Pe lângă modulația de amplitudine, în unele cazuri este utilizată modularea în frecvență - o modificare a frecvenței de oscilație în conformitate cu semnalul de control. Avantajul său este o rezistență mai mare la interferențe.

Detectare. În receptor, oscilațiile de joasă frecvență se disting de oscilațiile modulate de înaltă frecvență. Acest proces de conversie a semnalului se numește detectie.

Semnalul obținut în urma detectării corespunde semnalului sonor care a acționat asupra microfonului emițătorului. După amplificare, vibrațiile de joasă frecvență pot fi transformate în sunet.

Semnalul de înaltă frecvență modulat primit de receptor, chiar și după amplificare, nu este capabil să provoace direct oscilații ale membranei telefonice sau ale claxonului difuzorului cu o frecvență audio. Poate provoca doar vibrații de înaltă frecvență care nu sunt percepute de urechea noastră. Prin urmare, în receptor, este mai întâi necesar să izolați semnalul de frecvență audio de oscilațiile modulate de înaltă frecvență.

Detectarea este efectuată de un dispozitiv care conține un element cu conducție unidirecțională - un detector. Un astfel de element poate fi un tub de vid (diodă de vid) sau o diodă semiconductoare.

Luați în considerare funcționarea unui detector cu semiconductor. Lăsați acest dispozitiv să fie conectat în serie cu sursa de oscilații modulate și cu sarcina. Curentul din circuit va curge predominant într-o singură direcție.

Un curent pulsatoriu va curge în circuit. Acest curent pulsatoriu este netezit de un filtru. Cel mai simplu filtru este un condensator conectat la o sarcină.

Filtrul funcționează așa. În acele momente în timp în care dioda trece curent, o parte din ea trece prin sarcină, iar cealaltă parte se ramifică în condensator, încărcându-l. Diviziunea curentului reduce ondulația curentului care trece prin sarcină. Dar în intervalul dintre impulsuri, când dioda este blocată, condensatorul este parțial descărcat prin sarcină.

Prin urmare, în intervalul dintre impulsuri, curentul trece prin sarcină în aceeași direcție. Fiecare impuls nou reîncarcă condensatorul. Ca rezultat, un curent de audio-frecvență curge prin sarcină, a cărui formă de undă reproduce aproape exact forma semnalului de joasă frecvență la stația de transmisie.

Tipuri de unde radio și propagarea lor

Am luat în considerare deja proprietățile de bază ale undelor electromagnetice, aplicarea lor în radio, formarea undelor radio. Acum să ne familiarizăm cu tipurile de unde radio și cu propagarea lor.

Forma și proprietățile fizice ale suprafeței pământului, precum și starea atmosferei, afectează foarte mult propagarea undelor radio.

Straturile de gaz ionizat din părțile superioare ale atmosferei la o altitudine de 100-300 km deasupra suprafeței Pământului au un efect deosebit de semnificativ asupra propagării undelor radio. Aceste straturi se numesc ionosfera. Ionizarea aerului din straturile superioare ale atmosferei este cauzată de radiația electromagnetică a Soarelui și de fluxul de particule încărcate emise de acesta.

Ionosfera conductoare de electricitate reflectă undele radio cu o lungime de undă > 10 m, ca o placă de metal obișnuită. Dar capacitatea ionosferei de a reflecta și absorbi undele radio variază semnificativ în funcție de momentul zilei și de anotimpuri.

Comunicarea radio stabilă între punctele îndepărtate de pe suprafața pământului în afara liniei de vedere este posibilă datorită reflectării undelor din ionosferă și capacității undelor radio de a se îndoi în jurul suprafeței convexe a pământului. Această îndoire este mai pronunțată, cu cât lungimea de undă este mai mare. Prin urmare, comunicarea radio pe distanțe lungi din cauza curbării undelor în jurul Pământului este posibilă numai la lungimi de undă care depășesc semnificativ 100 m ( unde medii și lungi)

unde scurte(intervalul de lungimi de undă de la 10 la 100 m) se propagă pe distanțe lungi numai datorită reflexiilor multiple din ionosferă și suprafața Pământului. Cu ajutorul undelor scurte, comunicarea radio poate fi efectuată la orice distanță între stațiile radio de pe Pământ.

unde radio ultrascurte (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.

Acum luați în considerare o altă aplicație a undelor radio. Acesta este radar.

Detectarea și locația precisă a obiectelor folosind unde radio este numită radar. Instalare radar - radar(sau radar) - constă din piese de transmisie și recepție. Radarul folosește vibrații electrice de ultra-înaltă frecvență. Un generator puternic de microunde este conectat la o antenă care emite o undă foarte direcțională. Directivitate ascuțită a radiației se obține datorită adăugării undelor. Antena este proiectată astfel încât undele trimise de fiecare dintre vibratoare, atunci când sunt adăugate, să se întărească reciproc doar într-o direcție dată. În alte direcții, când se adaugă undele, are loc amortizarea reciprocă completă sau parțială a acestora.

Unda reflectată este captată de aceeași antenă de transmisie sau de o altă antenă de recepție, de asemenea foarte direcțională.

Pentru a determina distanța până la țintă, se folosește un mod de radiație pulsată. Emițătorul emite unde în impulsuri scurte. Durata fiecărui impuls este de milioane de secundă, iar intervalul dintre impulsuri este de aproximativ 1000 de ori mai lung. În timpul pauzelor, sunt recepționate unde reflectate.

Distanța este determinată prin măsurarea timpului total de călătorie a undelor radio către și de la țintă. Deoarece viteza undelor radio c \u003d 3 * 10 8 m / s în atmosferă este practic constantă, atunci R \u003d ct / 2.

Pentru a fixa semnalele transmise și reflectate, se folosește un tub catodic.

Undele radio sunt folosite nu numai pentru a transmite sunet, ci și pentru a transmite imagini (televizor).

Principiul transmiterii imaginilor la distanță este următorul. La stația de transmisie, imaginea este convertită într-o secvență de semnale electrice. Aceste semnale modulează apoi oscilațiile generate de generatorul de înaltă frecvență. O undă electromagnetică modulată transportă informații pe distanțe lungi. Receptorul efectuează conversia inversă. Sunt detectate oscilații modulate de înaltă frecvență, iar semnalul primit este convertit într-o imagine vizibilă. Pentru a transmite mișcarea, se folosește principiul cinematografiei: imagini ușor diferite ale unui obiect în mișcare (cadre) sunt transmise de zeci de ori pe secundă (de 50 de ori la televizorul nostru).

Imaginea cadrului este convertită de un tub de electroni în vid care transmite - un iconoscop într-o serie de semnale electrice. Pe lângă iconoscop, există și alte dispozitive de transmitere. În interiorul iconoscopului se află un ecran mozaic pe care este proiectată o imagine a obiectului cu ajutorul unui sistem optic. Fiecare celulă a mozaicului este încărcată, iar încărcarea sa depinde de intensitatea luminii care cade pe celulă. Această sarcină se modifică atunci când fasciculul de electroni produs de tunul de electroni lovește celula. Fasciculul de electroni lovește secvențial toate elementele, mai întâi dintr-o linie a mozaicului, apoi pe o altă linie etc. (625 de linii în total).

Cât de mult se modifică sarcina celulei depinde de puterea curentului din rezistor R. Prin urmare, tensiunea pe rezistor se modifică proporțional cu schimbarea iluminării de-a lungul liniilor cadrului.

Același semnal se obține în receptorul de televiziune după detectare. Acest semnal video. Este convertit într-o imagine vizibilă pe ecranul tubului de electroni cu vid receptor - cinescop.

Semnalele radio de televiziune pot fi transmise numai în intervalul undelor ultrascurte (metru).

Bibliografie.

1. Miakishev G.Ya. , Buhovtsev B.B. Fizica - 11. M. 1993.

2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. curs de fizica. Electricitate. M. 1970

3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Fundamentele fizicii. v. 2. M. 1981

Liceul Regional Industrial și Comercial Vladimir subiect abstract: Unde electromagnetice

Undele electromagnetice (al căror tabel va fi dat mai jos) sunt perturbări ale câmpurilor magnetice și electrice care sunt distribuite în spațiu. Există mai multe tipuri de ele. Fizica este studiul acestor perturbații. Undele electromagnetice se formează datorită faptului că un câmp electric alternativ generează unul magnetic, iar acesta, la rândul său, generează unul electric.

Istoria cercetării

Primele teorii, care pot fi considerate cele mai vechi versiuni ale ipotezelor despre undele electromagnetice, datează cel puțin din vremea lui Huygens. În acea perioadă, ipotezele au atins o dezvoltare cantitativă pronunțată. Huygens a publicat în 1678 un fel de „schiță” a teoriei – „Tratat de lumină”. În 1690, a publicat și o altă lucrare remarcabilă. S-a conturat teoria calitativă a reflexiei, a refracției în forma în care este încă prezentată în manualele școlare („Unde electromagnetice”, clasa a 9-a).

În același timp, a fost formulat principiul lui Huygens. Cu ajutorul acestuia, a devenit posibil să se studieze mișcarea frontului de undă. Acest principiu a fost dezvoltat ulterior în lucrările lui Fresnel. Principiul Huygens-Fresnel a avut o importanță deosebită în teoria difracției și în teoria ondulatorie a luminii.

În anii 1660-1670, Hooke și Newton au adus o mare contribuție experimentală și teoretică la cercetare. Cine a descoperit undele electromagnetice? Cine a condus experimentele care le-au dovedit existența? Care sunt tipurile de unde electromagnetice? Mai multe despre asta mai târziu.

Justificarea lui Maxwell

Înainte de a vorbi despre cine a descoperit undele electromagnetice, trebuie spus că primul om de știință care le-a prezis existența a fost Faraday. Și-a prezentat ipoteza în 1832. Teoria a fost dezvoltată mai târziu de Maxwell. Până în 1865 a terminat această lucrare. Ca urmare, Maxwell a formalizat teoria strict matematic, fundamentand existenta fenomenelor luate in considerare. El a determinat, de asemenea, viteza de propagare a undelor electromagnetice, care a coincis cu valoarea utilizată atunci a vitezei luminii. Aceasta, la rândul său, i-a permis să fundamenteze ipoteza că lumina este unul dintre tipurile de radiații luate în considerare.

Descoperire experimentală

Teoria lui Maxwell și-a găsit confirmarea în experimentele lui Hertz din 1888. Aici trebuie spus că fizicianul german și-a efectuat experimentele pentru a infirma teoria, în ciuda justificării ei matematice. Cu toate acestea, datorită experimentelor sale, Hertz a devenit primul care a descoperit undele electromagnetice în practică. În plus, în timpul experimentelor sale, omul de știință a dezvăluit proprietățile și caracteristicile radiațiilor.

Hertz a primit oscilații electromagnetice și unde prin excitarea unei serii de impulsuri ale unui flux în schimbare rapidă într-un vibrator folosind o sursă de tensiune crescută. Fluxurile de înaltă frecvență pot fi detectate folosind o buclă. În acest caz, frecvența de oscilație va fi cu atât mai mare, cu atât capacitatea și inductanța acesteia sunt mai mari. Dar, în același timp, o frecvență ridicată nu este o garanție a unui flux intens. Pentru a-și desfășura experimentele, Hertz a folosit un dispozitiv destul de simplu, care astăzi se numește „vibratorul Hertz”. Dispozitivul este un circuit oscilator de tip deschis.

Diagrama experienței lui Hertz

Înregistrarea radiațiilor a fost efectuată folosind un vibrator receptor. Acest dispozitiv avea același design ca și dispozitivul radiant. Sub influența unei unde electromagnetice a unui câmp electric alternativ, o oscilație de curent a fost excitată în dispozitivul de recepție. Dacă în acest dispozitiv frecvența sa naturală și frecvența fluxului au coincis, atunci a apărut o rezonanță. Ca urmare, au apărut perturbări în dispozitivul de recepție cu o amplitudine mai mare. Cercetătorul le-a descoperit observând scânteile dintre conductori într-un mic decalaj.

Astfel, Hertz a devenit primul care a descoperit undele electromagnetice, și-a dovedit capacitatea de a fi bine reflectate de conductori. El a fundamentat practic formarea radiațiilor în picioare. În plus, Hertz a determinat viteza de propagare a undelor electromagnetice în aer.

Studiul caracteristicilor

Undele electromagnetice se propagă în aproape toate mediile. Într-un spațiu care este umplut cu materie, radiația poate fi, în unele cazuri, distribuită destul de bine. Dar în același timp își schimbă oarecum comportamentul.

Undele electromagnetice în vid sunt determinate fără atenuare. Ele sunt distribuite pe orice distanță, arbitrar de mare. Principalele caracteristici ale undelor includ polarizarea, frecvența și lungimea. Descrierea proprietăților se realizează în cadrul electrodinamicii. Cu toate acestea, ramuri mai specifice ale fizicii se ocupă de caracteristicile radiațiilor în anumite regiuni ale spectrului. Acestea includ, de exemplu, optica.

Secțiunea de înaltă energie se ocupă cu studiul radiațiilor electromagnetice dure ale capătului spectral cu lungime de undă scurtă. Luând în considerare ideile moderne, dinamica încetează să mai fie o disciplină independentă și este combinată cu o singură teorie.

Teorii aplicate în studiul proprietăților

Astăzi, există diverse metode care contribuie la modelarea și studiul manifestărilor și proprietăților oscilațiilor. Cea mai fundamentală dintre teoriile dovedite și finalizate este electrodinamica cuantică. Din aceasta, prin anumite simplificări, devine posibilă obținerea următoarelor metode, care sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii.

Descrierea radiațiilor de frecvență relativ joasă într-un mediu macroscopic se realizează folosind electrodinamica clasică. Se bazează pe ecuațiile lui Maxwell. În același timp, există simplificări în aplicațiile aplicate. Un studiu optic folosește optica. Teoria undelor este utilizată în cazurile în care unele părți ale sistemului optic sunt apropiate ca mărime de lungimile de undă. Optica cuantică este utilizată atunci când procesele de împrăștiere și absorbție a fotonilor sunt esențiale.

Teoria optică geometrică este cazul limită în care lungimea de undă este lăsată să fie neglijată. Există, de asemenea, câteva secțiuni aplicate și fundamentale. Acestea includ, de exemplu, astrofizica, biologia percepției vizuale și fotosintezei și fotochimia. Cum sunt clasificate undele electromagnetice? Un tabel care ilustrează distribuția în grupuri este prezentat mai jos.

Clasificare

Există intervale de frecvență ale undelor electromagnetice. Nu există tranziții ascuțite între ele, uneori se suprapun. Granițele dintre ele sunt destul de arbitrare. Datorită faptului că fluxul este distribuit continuu, frecvența este asociată rigid cu lungimea. Mai jos sunt domeniile undelor electromagnetice.

Radiația ultrascurtă este de obicei împărțită în micrometru (submilimetru), milimetru, centimetru, decimetru, metru. Dacă radiația electromagnetică este mai mică de un metru, atunci se numește în mod obișnuit o oscilație de ultra-înaltă frecvență (SHF).

Tipuri de unde electromagnetice

Mai sus sunt intervalele undelor electromagnetice. Care sunt tipurile de fluxuri? Grupul include raze gamma și X. În același timp, trebuie spus că atât lumina ultravioletă, cât și chiar lumina vizibilă sunt capabile să ionizeze atomii. Granițele în care sunt situate fluxurile gamma și de raze X sunt determinate mai degrabă condiționat. Limitele de 20 eV - 0,1 MeV sunt acceptate ca orientare generală. Fluxurile gamma în sens restrâns sunt emise de nucleu, razele X sunt emise de învelișul atomic de electroni în procesul de eliminare a electronilor de pe orbitele joase. Cu toate acestea, această clasificare nu este aplicabilă radiațiilor dure generate fără participarea nucleelor ​​și atomilor.

Curenții de raze X se formează atunci când particulele încărcate rapide (protoni, electroni etc.) încetinesc și ca urmare a proceselor care au loc în interiorul învelișurilor de electroni atomici. Oscilațiile gamma apar ca urmare a proceselor din interiorul nucleelor ​​atomilor și în timpul transformării particulelor elementare.

fluxuri radio

Datorită valorii mari a lungimilor, aceste unde pot fi considerate fără a ține cont de structura atomistică a mediului. Singurele excepții sunt cele mai scurte fluxuri, care sunt adiacente regiunii infraroșii a spectrului. În domeniul radio, proprietățile cuantice ale oscilațiilor se manifestă destul de slab. Cu toate acestea, acestea trebuie luate în considerare, de exemplu, atunci când se analizează standardele de timp și frecvență moleculară în timpul răcirii echipamentului la o temperatură de câțiva kelvin.

Proprietățile cuantice sunt, de asemenea, luate în considerare atunci când se descriu oscilatoare și amplificatoare în intervalele milimetrice și centimetrice. Fluxul radio se formează în timpul mișcării curentului alternativ prin conductorii de frecvență corespunzătoare. O undă electromagnetică care trece în spațiu excită unda corespunzătoare. Această proprietate este utilizată în proiectarea antenelor în ingineria radio.

Fluxuri vizibile

Radiația vizibilă ultravioletă și infraroșu în sensul larg al cuvântului este așa-numita parte optică a spectrului. Selecția acestei regiuni este determinată nu numai de apropierea zonelor corespunzătoare, ci și de similitudinea instrumentelor utilizate în studiu și dezvoltate în principal în timpul studiului luminii vizibile. Acestea includ, în special, oglinzi și lentile pentru focalizarea radiațiilor, rețele de difracție, prisme și altele.

Frecvențele undelor optice sunt comparabile cu cele ale moleculelor și atomilor, iar lungimile lor sunt comparabile cu distanțele intermoleculare și dimensiunile moleculare. Prin urmare, fenomenele care se datorează structurii atomiste a materiei devin semnificative în acest domeniu. Din același motiv, lumina, împreună cu proprietățile undelor, are și proprietăți cuantice.

Apariția fluxurilor optice

Cea mai cunoscută sursă este Soarele. Suprafața stelei (fotosfera) are o temperatură de 6000 Kelvin și emite lumină albă strălucitoare. Cea mai mare valoare a spectrului continuu este situată în zona „verde” - 550 nm. Există și un maxim de sensibilitate vizuală. Oscilațiile în domeniul optic apar atunci când corpurile sunt încălzite. Prin urmare, fluxurile în infraroșu sunt denumite și termice.

Cu cât încălzirea corpului este mai puternică, cu atât frecvența este mai mare, unde se află maximul spectrului. Cu o anumită creștere a temperaturii, se observă căldură (strălucire în domeniul vizibil). În acest caz, apare mai întâi culoarea roșie, apoi galbenul și așa mai departe. Crearea și înregistrarea fluxurilor optice poate avea loc în reacții biologice și chimice, dintre care una este folosită în fotografie. Pentru majoritatea creaturilor care trăiesc pe Pământ, fotosinteza acționează ca o sursă de energie. Această reacție biologică are loc la plante sub influența radiației optice solare.

Caracteristicile undelor electromagnetice

Proprietățile mediului și sursei influențează caracteristicile fluxurilor. Aceasta stabilește, în special, dependența de timp a câmpurilor, care determină tipul de flux. De exemplu, atunci când distanța de la vibrator se modifică (pe măsură ce crește), raza de curbură devine mai mare. Ca rezultat, se formează o undă electromagnetică plană. Interacțiunea cu materia are loc și în moduri diferite.

Procesele de absorbție și emisie de fluxuri, de regulă, pot fi descrise folosind relații electrodinamice clasice. Pentru undele din regiunea optică și pentru razele dure, cu atât mai mult, trebuie luată în considerare natura lor cuantică.

Surse de flux

În ciuda diferenței fizice, peste tot - într-o substanță radioactivă, un emițător de televiziune, o lampă cu incandescență - undele electromagnetice sunt excitate de sarcini electrice care se mișcă cu accelerație. Există două tipuri principale de surse: microscopice și macroscopice. În primul, există o tranziție bruscă a particulelor încărcate de la unul la altul în interiorul moleculelor sau atomilor.

Sursele microscopice emit radiații X, gamma, ultraviolete, infraroșii, vizibile și, în unele cazuri, radiații cu unde lungi. Un exemplu al acestuia din urmă este linia din spectrul hidrogenului, care corespunde unei undă de 21 cm.Acest fenomen are o importanță deosebită în radioastronomie.

Sursele macroscopice sunt emițători în care electronii liberi ai conductorilor efectuează oscilații sincrone periodice. În sistemele din această categorie, debitele sunt generate de la milimetru până la cel mai lung (în liniile electrice).

Structura și rezistența fluxurilor

Cu accelerația și curenții care se schimbă periodic se afectează reciproc cu anumite forțe. Direcția și mărimea lor depind de factori precum dimensiunea și configurația zonei în care sunt conținute curenții și sarcinile, direcția și magnitudinea lor relativă. Caracteristicile electrice ale unui anumit mediu, precum și modificările concentrației sarcinilor și distribuției curenților sursei, au, de asemenea, un efect semnificativ.

Datorită complexității generale a enunțului problemei, este imposibil să se reprezinte legea forțelor sub forma unei formule unice. Structura, numită câmp electromagnetic, și considerată, dacă este necesar, ca obiect matematic, este determinată de distribuția sarcinilor și a curenților. Acesta, la rândul său, este creat de o sursă dată, ținând cont de condițiile la limită. Condițiile sunt determinate de forma zonei de interacțiune și de caracteristicile materialului. Dacă vorbim de spațiu nelimitat, aceste circumstanțe sunt completate. În astfel de cazuri, starea de radiație acționează ca o condiție suplimentară specială. Datorită acesteia, este garantat comportamentul „corect” al câmpului la infinit.

Cronologia studiului

Lomonosov, în unele dintre prevederile sale, anticipează anumite postulate ale teoriei câmpului electromagnetic: mișcarea „rotativă” (de rotație) a particulelor, teoria „fluctuantă” (undă) a luminii, comunitatea acesteia cu natura electricității etc. Fluxurile infraroșii au fost descoperit în 1800 de Herschel (oameni de știință englezi), iar în următorul, 1801, ultravioletul a fost descris de Ritter. Radiația mai scurtă decât raza ultravioletă a fost descoperită de Roentgen în 1895, pe 8 noiembrie. Ulterior, a fost numită cu raze X.

Influența undelor electromagnetice a fost studiată de mulți oameni de știință. Cu toate acestea, Narkevich-Iodko (om de știință din Belarus) a fost primul care a explorat posibilitățile fluxurilor și amploarea acestora. A studiat proprietățile fluxurilor în relație cu medicina practică. Radiația gamma a fost descoperită de Paul Willard în 1900. În aceeași perioadă, Planck a efectuat studii teoretice asupra proprietăților unui corp negru. În procesul de studiu, el a descoperit natura cuantică a procesului. Opera sa a fost începutul dezvoltării. Ulterior, au fost publicate mai multe lucrări de Planck și Einstein. Cercetările lor au condus la formarea unui astfel de concept ca un foton. Aceasta, la rândul său, a marcat începutul creării teoriei cuantice a fluxurilor electromagnetice. Dezvoltarea sa a continuat în lucrările oamenilor de știință de seamă din secolul al XX-lea.

Cercetările și lucrările ulterioare privind teoria cuantică a radiației electromagnetice și interacțiunea acesteia cu materia au condus în cele din urmă la formarea electrodinamicii cuantice în forma în care există astăzi. Dintre oamenii de știință de seamă implicați în studiul acestei probleme, pe lângă Einstein și Planck, trebuie amintiți Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman.

Concluzie

Importanța fizicii în lumea modernă este destul de mare. Aproape tot ceea ce este folosit astăzi în viața umană a apărut datorită utilizării practice a cercetărilor marilor oameni de știință. Descoperirea undelor electromagnetice și studiul lor, în special, au condus la crearea unor emițătoare radio convenționale, iar mai târziu a telefoanelor mobile. Aplicarea practică a unor astfel de cunoștințe teoretice este de o importanță deosebită în domeniul medicinei, industriei și tehnologiei.

Această utilizare pe scară largă se datorează naturii cantitative a științei. Toate experimentele fizice se bazează pe măsurători, compararea proprietăților fenomenelor studiate cu standardele disponibile. În acest scop a fost dezvoltat un complex de instrumente și unități de măsură în cadrul disciplinei. O serie de regularități sunt comune tuturor sistemelor de materiale existente. De exemplu, legile conservării energiei sunt considerate legi fizice generale.

Știința în ansamblu este numită în multe cazuri fundamentală. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că alte discipline oferă descrieri, care, la rândul lor, respectă legile fizicii. Deci, în chimie, se studiază atomii, substanțele formate din ei și transformările. Dar proprietățile chimice ale corpurilor sunt determinate de caracteristicile fizice ale moleculelor și atomilor. Aceste proprietăți descriu ramuri ale fizicii precum electromagnetismul, termodinamica și altele.

Undele electromagnetice, conform fizicii, sunt printre cele mai misterioase. În ele, energia chiar dispare în neant, apare de nicăieri. Nu există niciun alt obiect asemănător în toată știința. Cum au loc toate aceste transformări miraculoase?

Electrodinamica Maxwell

Totul a început cu faptul că omul de știință Maxwell încă din 1865, bazându-se pe munca lui Faraday, a derivat ecuația câmpului electromagnetic. Maxwell însuși credea că ecuațiile sale descriu torsiunea și tensiunea undelor în eter. Douăzeci și trei de ani mai târziu, Hertz a creat experimental astfel de perturbații în mediu și a reușit nu numai să le reconcilieze cu ecuațiile electrodinamicii, ci și să obțină legile care guvernează propagarea acestor perturbații. A apărut o tendință curioasă de a declara orice perturbații care sunt de natură electromagnetică drept unde hertziene. Cu toate acestea, aceste radiații nu sunt singura modalitate de a efectua transferul de energie.

Conexiune fără fir

Până în prezent, opțiunile posibile pentru implementarea unor astfel de comunicații fără fir includ:

Cuplaj electrostatic, numit și capacitiv;

inducţie;

actual;

Conexiune Tesla, adică conexiunea undelor de densitate electronică de-a lungul suprafețelor conductoare;

Cea mai largă gamă a celor mai obișnuiți purtători, care se numesc unde electromagnetice - de la frecvențe ultra joase la radiații gamma.

Merită să luați în considerare aceste tipuri de conexiuni mai detaliat.

Legătura electrostatică

Cei doi dipoli sunt forțe electrice cuplate în spațiu, ceea ce este o consecință a legii lui Coulomb. Acest tip de conexiune diferă de undele electromagnetice prin capacitatea de a conecta dipoli atunci când sunt amplasați pe aceeași linie. Odată cu creșterea distanțelor, puterea conexiunii se atenuează și se observă, de asemenea, o influență puternică a diferitelor interferențe.

cuplaj inductiv

Bazat pe câmpurile parazite magnetice ale inductanței. Se observă între obiecte care au inductanță. Aplicația sa este destul de limitată din cauza acțiunii la distanță scurtă.

Conexiune curentă

Datorită curenților de răspândire într-un mediu conducător, poate apărea o anumită interacțiune. Dacă prin terminale trec curenți (o pereche de contacte), atunci acești curenți pot fi detectați la o distanță considerabilă de contacte. Acesta este ceea ce se numește efectul răspândirii curentului.

Conexiune Tesla

Celebrul fizician Nikola Tesla a inventat comunicarea folosind unde pe o suprafață conductoare. Dacă într-un anumit loc al planului densitatea purtătorului de sarcină este perturbată, atunci acești purtători vor începe să se miște, ceea ce va tinde să restabilească echilibrul. Deoarece purtătorii au o natură inerțială, recuperarea are un caracter ondulatoriu.

Conexiune electromagnetică

Radiația undelor electromagnetice se distinge printr-o acțiune uriașă pe distanță lungă, deoarece amplitudinea lor este invers proporțională cu distanța până la sursă. Această metodă de comunicare fără fir este cea mai utilizată. Dar ce sunt undele electromagnetice? Mai întâi trebuie să faceți o scurtă digresiune în istoria descoperirii lor.

Cum au „apărut” undele electromagnetice?

Totul a început în 1829, când fizicianul american Henry a descoperit perturbări ale descărcărilor electrice în experimente cu borcanele Leyden. În 1832, fizicianul Faraday a sugerat existența unui astfel de proces precum undele electromagnetice. Maxwell și-a creat celebrele ecuații ale electromagnetismului în 1865. La sfârșitul secolului al XIX-lea, au existat multe încercări de succes de a crea comunicații fără fir folosind inducția electrostatică și electromagnetică. Faimosul inventator Edison a venit cu un sistem care le permitea pasagerilor de la calea ferată să trimită și să primească telegrame în timp ce trenul era în mișcare. În 1888, G. Hertz a demonstrat fără echivoc că undele electromagnetice apar folosind un dispozitiv numit vibrator. Hertz a efectuat un experiment privind transmiterea unui semnal electromagnetic pe o distanță. În 1890, inginerul și fizicianul francez Branly a inventat un dispozitiv pentru înregistrarea radiațiilor electromagnetice. Ulterior, acest dispozitiv a fost numit „conductor radio” (coherer). În 1891-1893, Nikola Tesla a descris principiile de bază pentru implementarea transmisiei semnalului pe distanțe lungi și a brevetat o antenă catarg, care era o sursă de unde electromagnetice. Alte merite în studiul valurilor și implementarea tehnică a producției și aplicării lor aparțin unor fizicieni și inventatori celebri precum Popov, Marconi, de Maur, Lodge, Mirhead și mulți alții.

Conceptul de „undă electromagnetică”

O undă electromagnetică este un fenomen care se propagă în spațiu cu o anumită viteză finită și este un câmp electric și magnetic alternativ. Deoarece câmpurile magnetice și electrice sunt indisolubil legate între ele, ele formează un câmp electromagnetic. Se mai poate spune că o undă electromagnetică este o perturbare a câmpului, iar în timpul propagării acestuia, energia pe care o are câmpul magnetic este convertită în energia câmpului electric și invers, conform electrodinamicii lui Maxwell. În exterior, aceasta este similară cu propagarea oricărui alt val în orice alt mediu, dar există și diferențe semnificative.

Care este diferența dintre undele electromagnetice și altele?

Energia undelor electromagnetice se propagă într-un mediu destul de de neînțeles. Pentru a compara aceste unde și oricare altele, este necesar să înțelegem despre ce fel de mediu de propagare vorbim. Se presupune că spațiul intra-atomic este umplut cu eter electric - un mediu specific, care este un dielectric absolut. Toate undele din timpul propagării arată tranziția energiei cinetice în energie potențială și invers. În același timp, maximul acestor energii este deplasat în timp și spațiu unul față de celălalt cu o pătrime din perioada totală a undei. În acest caz, energia medie a valurilor, fiind suma energiei potențiale și cinetice, este o valoare constantă. Dar cu undele electromagnetice, situația este diferită. Energiile ambelor câmpuri magnetice și electrice își ating valorile maxime simultan.

Cum se generează unda electromagnetică?

Materia unei unde electromagnetice este un câmp electric (eter). Câmpul în mișcare este structurat și este format din energia mișcării sale și energia electrică a câmpului însuși. Prin urmare, energia potențială a undei este legată de energia cinetică și este în fază. Natura unei unde electromagnetice este un câmp electric periodic care se află într-o stare de mișcare de translație în spațiu și se mișcă cu viteza luminii.

Curenți de deplasare

Există o altă modalitate de a explica ce sunt undele electromagnetice. Se presupune că în eter apar curenți de deplasare în timpul mișcării câmpurilor electrice neomogene. Ele apar, desigur, numai pentru un observator staționar din exterior. În momentul în care un parametru precum intensitatea câmpului electric atinge maximul, curentul de deplasare într-un anumit punct din spațiu se va opri. În consecință, la o tensiune minimă, se obține imaginea inversă. Această abordare clarifică natura ondulatorie a radiației electromagnetice, deoarece energia câmpului electric se dovedește a fi deplasată cu o pătrime din perioadă în raport cu curenții de deplasare. Atunci putem spune că perturbarea electrică, sau mai bine zis energia perturbării, se transformă în energia curentului de deplasare și invers și se propagă ondulatoriu într-un mediu dielectric.

undele electromagnetice numit procesul de propagare în spațiu a unui câmp electromagnetic alternant. Teoretic, existența undelor electromagnetice a fost prezisă de omul de știință englez Maxwell în 1865 și au fost obținute pentru prima dată experimental de omul de știință german Hertz în 1888.

Formule care descriu oscilațiile vectorilor și decurg din teoria lui Maxwell. Undă electromagnetică monocromatică plană care se propagă de-a lungul axei X, este descris de ecuații

Aici EȘi H sunt valori instantanee și E m și H m - valorile amplitudinii câmpurilor electrice și magnetice, ω - frecventa circulara, k- numărul de undă. Vectorii și oscilează cu aceeași frecvență și fază, sunt reciproc perpendiculari și, în plus, sunt perpendiculari pe vector - viteza de propagare a undei (Fig. 3.7). Adică undele electromagnetice sunt transversale.

În vid, undele electromagnetice se propagă cu viteză. Într-un mediu cu permitivitate ε și permeabilitatea magnetică µ viteza de propagare a undei electromagnetice este:

Frecvența oscilațiilor electromagnetice, precum și lungimea de undă, pot fi, în principiu, oricare. Clasificarea undelor după frecvență (sau lungime de undă) se numește scara undelor electromagnetice. Undele electromagnetice sunt împărțite în mai multe tipuri.

unde radio au o lungime de undă de la 10 3 la 10 -4 m.

unde luminoase include:

radiații cu raze X - .

Undele luminoase sunt unde electromagnetice care includ părți ale spectrului infraroșu, vizibil și ultraviolet. Lungimile de undă ale luminii în vid corespunzătoare culorilor primare ale spectrului vizibil sunt prezentate în tabelul de mai jos. Lungimea de undă este dată în nanometri.

masa

Undele luminoase au aceleași proprietăți ca undele electromagnetice.

1. Undele luminoase sunt transversale.

2. Vectorii u oscilează într-o undă luminoasă.

Experiența arată că toate tipurile de influențe (fiziologice, fotochimice, fotoelectrice etc.) sunt cauzate de oscilațiile vectorului electric. El este numit vector luminos .

Amplitudinea vectorului luminos E m este adesea notat cu litera A iar ecuația (3.24) este utilizată în locul ecuației (3.30).

3. Viteza luminii în vid.

Viteza unei unde luminii într-un mediu este determinată de formula (3.29). Dar pentru medii transparente (sticlă, apă) de obicei.

Pentru undele luminoase se introduce un concept - indicele absolut de refracție.

Indicele de refracție absolut este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii într-un mediu dat

Din (3.29), ținând cont de faptul că pentru mediile transparente , putem scrie egalitatea.

Pentru vid ε = 1 și n= 1. Pentru orice mediu fizic n> 1. De exemplu, pentru apă n= 1,33, pentru sticlă. Se spune că un mediu cu un indice de refracție mai mare este mai dens optic. Raportul indicilor absoluti de refracție se numește indice relativ de refracție:

4. Frecvența undelor luminoase este foarte mare. De exemplu, pentru lumina roșie cu o lungime de undă.

Când lumina trece de la un mediu la altul, frecvența luminii nu se modifică, dar viteza și lungimea de undă se modifică.

Pentru vid - ; pentru mediu - , atunci

Prin urmare, lungimea de undă a luminii într-un mediu este egală cu raportul dintre lungimea de undă a luminii în vid și indicele de refracție

5. Pentru că frecvența undelor luminoase este foarte mare , atunci ochiul observatorului nu distinge între oscilațiile individuale, ci percepe fluxurile medii de energie. Astfel se introduce conceptul de intensitate.

intensitate este raportul dintre energia medie transportată de undă și intervalul de timp și aria locului perpendicular pe direcția de propagare a undei:

Deoarece energia undei este proporțională cu pătratul amplitudinii (vezi formula (3.25)), intensitatea este proporțională cu valoarea medie a pătratului amplitudinii

O caracteristică a intensității luminii, ținând cont de capacitatea acesteia de a provoca senzații vizuale, este flux luminos - F .

6. Natura ondulatorie a luminii se manifestă, de exemplu, în fenomene precum interferența și difracția.