mozok.click » Фізика » Утворення і поширення електромагнітних хвиль
Інформація про новину
  • Переглядів: 392
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 21:34
12-02-2018, 21:34

Утворення і поширення електромагнітних хвиль

Категорія: Фізика

Гіпотеза Максвелла і досліди Герца. Дж. Максвелл показав, що електромагнітне поле у вакуумі може існувати і за відсутності джерел струмів та зарядів. Згідно з теорією Максвелла будь-які зміни магнітного поля приводять до виникнення вихрового електричного поля. Будь-які зміни електричного поля супроводжуються виникненням вихрового магнітного поля. Отже, у всьому просторі, де змінюються поля, одночасно існують вихрові електричні і магнітні поля, які взаємно породжують і підтримують одне одного. У цьому випадку поле матиме вигляд хвилі, яка поширюється

зі швидкістю 3-Ю8 м/с. При цьому вектор напруженості електричного поля та вектор індукції магнітного поля перпендикулярні один до одного та перпендикулярні до напрямку поширення хвилі. Таким чином, згідно з гіпотезою Максвелла мають існувати електромагнітні хвилі, які на відміну від механічних хвиль (поширення яких відбувається тільки у пружному середовищі), можуть поширюватись як у речовині, так і у вакуумі.



Але сам Дж. Максвелл не дожив до того часу, коли існування електромагнітних хвиль було підтверджено. Лише через 10 років після його смерті німецький фізик Г. Герц (1857-1894) експериментально виявив електромагнітні хвилі. Згідно з гіпотезою Максвелла електромагнітні коливання завжди повинні створювати електромагнітні хвилі. Однак сам по собі коливальний контур не випромінює електромагнітні хвилі. У ньому відбуваються перетворення енергії електричного поля конденсатора в магнітне поле котушки і витрат енергії на утворення хвиль практично немає. Тому такий коливальний контур ще називають закритим.

Щоб здобути електромагнітні хвилі, Г. Герц запропонував використовувати так званий диполь (мал. 185), який ще називають відкритим коливальним контуром. Диполь складався з двох мідних стержнів, які закінчувались маленькими латунними кульками. На протилежних кінцях їх були надіті цинкові сферичні ковпачки, переміщенням яких можна змінювати ємність та індуктивність контуру. Між маленькими кульками залишався незначний повітряний проміжок.

До мідних стержнів біля кульок було приєднано обмотки котушки, яка була з’єднана з джерелом живлення, у результаті чого на стержні подавалась висока напруга окремими імпульсами. При цьому між стержнями періодично виникав іскровий розряд. (На той час уже було доведено коливальний характер електричної іскри.)

Щоб реєструвати випромінені хвилі, Герц використав резонатор -пристрій, подібний до випромінюючого диполя. Резонатор являє собою незамкнене кільце з латунними кульками на кінцях і незначним повітряним проміжком між ними. Назва «резонатор» відбиває той факт, що, змінюючи розміри та положення резонатора, можна налаштувати його на частоту коливань випромінюючого контуру. Іншими словами, коливальний контур та резонатор працюють у режимі резонансу: щоразу, коли у коливальному контурі відбувався іскровий розряд, між кульками резонатора також пробігала іскра.

Утворення іскри свідчить про те, що в просторі між двома системами відбувається процес, пов’язаний з передаванням енергії. У подальших експериментах Герц встановив, що цей процес має властивості хвильового руху.


Герц спостерігав відбиття й заломлення хвиль, явища інтерференції, дифракції та поляризації (з цими явищами ми детальніше ознайомимось під час вивчення світлових хвиль). Герц зумів виміряти довжину електромагнітної хвилі та, обчисливши власну частоту електромагнітних коливань контуру, визначив швидкість поширення хвилі за формулою v = Xv. Виявилось, що вона дорівнює 3-10R м/с (на той час було відомо, що з такою швидкістю поширюється світло).

Досліди Герца блискуче підтвердили теоретичні передбачення Максвел-ла, який був глибоко переконаний у тому, що електромагнітні хвилі існують реально.

Генерація електромагнітних хвиль. Спробуємо якісно охарактеризувати процес утворення електромагнітної хвилі. Розглянемо диполь, що складається з двох провідних стержнів (мал. 186) і підключений до джерела змінного струму. Мал. 186, а відповідає моменту, коли диполь щойно підключили до джерела. Електричний струм створює магнітне поле, силові лінії індукції магнітного поля замкнені і охоплюють стержні - справа від стержнів вектор індукції направлено від нас ® , а зліва від стержнів - на нас О (на малюнку не показано). ЕРС генератора проходить через максимум та починає зменшуватись; струм змінює напрям і його магнітне поле також змінює напрям. Оскільки напрям нових полів протилежний попередньому, то силові лінії полів замикаються, утворюючи замкнені контури мал. 186, б. Утворене раніше поле не зникає - воно поширюється в просторі. І згодом картина силових ліній матиме вигляд, зображений на мал. 186, в. 


Оскільки диполь не є точковим джерелом, то поля поширюються у просторі в обидва боки, віддаляючись в напрямку, перпендикулярному до його осі, а вздовж осі диполя випромінювання немає (мал. 186, г).

З розглянутого прикладу можна зробити висновок, що електромагнітні хвилі - це явище поширення в просторі електромагнітних коливань, тобто взаємопов’язаних коливань електричного і магнітного полів, які являють собою єдине електромагнітне поле. У довільній точці вектори Е і В взаємно перпендикулярні та перпендикулярні до напрямку поширення.

Оскільки електромагнітні хвилі генеруються електричним струмом, тобто зарядженими частинками, що рухаються з прискоренням, то правильним буде і загальне твердження: електричний заряд під час прискореного руху є джерелом електромагнітних хвиль.

Дайте відповіді на запитання

1. У чому суть гіпотези Максвелла?

2. Чому звичайний (закритий) коливальний контур не можна використати для випромінювання і реєстрації електромагнітних хвиль?

3. Поясніть механізм утворення електромагнітної хвилі.






^