mozok.click » Фізика » Електромагнітне поле й електромагнітні хвилі
Інформація про новину
  • Переглядів: 1964
  • Автор: admin
  • Дата: 13-09-2017, 04:54
13-09-2017, 04:54

Електромагнітне поле й електромагнітні хвилі

Категорія: Фізика

Чи читали вам у дитинстві казки? Напевно ж так. Згадайте: «котиться золоте яблучко срібним блюдечком», і герой казки бачить «гори високі, моря глибокі» та багато чого іншого, що відбувається за «сімома морями та сімома горами». Що вам нагадує цей казковий пристрій? Мабуть, у тому числі й мобільний Інтернет. Про те, які відкриття у фізиці дозволили винайти таку «казкову» річ, йдеться в цьому параграфі.

Дізнаємося про електромагнітне поле

Перш за все згадаємо: існують два види матерії — речовина і поле. Обидва існують реально, а не являють собою певну «модель», призначену для того, щоб пояснити ті чи інші фізичні явища.

Минулого навчального року ви дізналися про електричне поле, цього року — про магнітне поле. Ви також з’ясували, що магнітне поле, яке змінюється, не тільки діє на рухомі заряджені частинки й намагнічені тіла, а й створює електричне поле. Такого висновку дійшов свого часу М. Фарадей.

Керуючись принципом симетрії, видатний англійський фізик Джеймс Максвелл (рис. 19.1) висунув підтверджену згодом гіпотезу про те, що не тільки змінне магнітне поле створює електричне поле, а й змінне електричне поле створює магнітне поле. Відповідно до цієї гіпотези електричні та магнітні поля завжди існують разом і немає сенсу розглядати їх як окремі об’єкти. Тобто існує єдине електромагнітне поле, а електричне та магнітне поля — це дві складові (дві форми прояву) електромагнітного поля.

Електромагнітне поле — вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими тілами і частинками та намагніченими тілами.

Дехто з вас може не погодитися з висновком Максвелла, адже добре знає, що, наприклад, біля нерухомого зарядженого тіла існує тільки електричне поле, а біля нерухомого постійного магніту — тільки магнітне поле. Проте згадайте: рух і спокій залежать від вибору системи відліку.

Уявіть, що ви, тримаючи в руках заряджену кульку, йдете до свого товариша. Якби людина мала здатність завжди виявляти електромагнітне поле, то в цьому випадку ви «бачили» б тільки одну його складову — електричне поле, оскільки відносно вас заряд є нерухомим. Водночас ваш товариш «бачив» би як електричне поле, так і магнітне, тому що відносно нього заряд рухається й електричне поле змінюється (див. рис. 19.2).

Якщо ваш товариш візьме магніт і понесе його від вас (див. рис. 19.3), хто з вас «виявить» тільки магнітне поле, а хто — і магнітне, й електричне?



Таким чином, твердження, що в даній точці існує тільки електричне (чи тільки магнітне) поле, не має сенсу, адже не вказано систему відліку. Разом із тим ми ніколи не знайдемо систему відліку, відносно якої «зникли» б обидві складові електромагнітного поля, адже електромагнітне поле є матеріальним.

Створюємо електромагнітні хвилі

Проаналізувавши всі відомі тоді закони електродинаміки, Дж. Максвелл суто математично отримав фантастичний на той час висновок: у природі мають існувати електромагнітні хвилі.

Електромагнітна хвиля — це поширення в просторі змінного електромагнітного поля.

Спробуємо уявити, як утворюється та поширюється електромагнітна хвиля. Візьмемо провідник, в якому тече змінний струм (рис. 19.4). Як відомо, біля будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле. Магнітне поле, створене змінним струмом, теж є змінним. Згідно з теорією Максвелла змінне магнітне поле має створити електричне поле, яке теж буде змінним. Змінне електричне поле створить змінне магнітне і т. д. Отже, одержимо поширення коливань електромагнітного поля — електромагнітну хвилю (рис. 19.5). Частота V цієї хвилі дорівнює частоті, з якою змінюється сила струму в провіднику, а провідник зі змінним струмом є джерелом електромагнітної хвилі.

Аналогічно тому як механічна хвиля може відірватися від свого джерела (згадайте поширення хвилі від кинутого у воду камінця), електромагнітна хвиля теж може відірватися від свого джерела і почати самостійно поширюватись у просторі.


Цікаво, що деякі електромагнітні хвилі «подорожують» у Всесвіті майже з початку його існування!

За теорією Максвелла, джерелом електромагнітної хвилі може бути будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням (тобто частинка, яка весь час змінює швидкість свого руху або за значенням, або за напрямком, або одночасно і за значенням, і за напрямком). Якщо ж частинка нерухома або рухається з незмінною швидкістю, біля неї існує електромагнітне поле, але електромагнітну хвилю частинка не випромінює.

Випромінюванням електромагнітних хвиль супроводжуються й деякі процеси, що відбуваються всередині молекул, атомів, ядер атомів (теорія таких процесів — квантова теорія — була створена в ХХ ст.).

Характеризуємо електромагнітну хвилю

Електромагнітна хвиля, як і механічна, характеризується частотою (V), довжиною (А,) і швидкістю поширення ^). Так само, як у випадку з механічними хвилями, дані величини пов’язані формулою хвилі:

Але, на відміну від механічних хвиль, для поширення електромагнітних хвиль не потрібне середовище. Навпаки, найкраще й найшвидше електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Дж. Максвелл теоретично обчислив швидкість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі й з подивом виявив, що отримане значення збігається зі значенням швидкості світла у вакуумі (на той час воно вже було виміряне експериментально):

Дж. Максвелл висунув слушне і сміливе на той час припущення: світло є різновидом електромагнітних хвиль (рис. 19.6). Учений не лише виявив природу світла, а й передбачив існування та властивості різних видів електромагнітних хвиль.

У вакуумі — і тільки в ньому — всі електромагнітні хвилі поширюються з однаковою швидкістю (c), тому для вакууму довжина і частота електромагнітної хвилі пов’язані формулою:

Під час переходу з одного середовища в інше швидкість поширення електромагнітної хвилі змінюється, змінюється і довжина хвилі, а от частота залишається незмінною. У повітрі швидкість поширення електромагнітних хвиль майже та сама, що й у вакуумі.

Через 15 років після створення теорія електромагнітного поля Максвелла була підтверджена експериментально: Генріх Герц (рис. 19.7) продемонстрував випромінювання і приймання електромагнітних хвиль. Герц не лише одержав електромагнітні хвилі, а й вивчив їхні властивості. Він установив, що електромагнітні хвилі:

• відбиваються від провідних предметів (кут відбивання дорівнює куту падіння);

• заломлюються на межі з діелектриком;

• частково поглинаються речовиною і частково розсіюються нею та ін.

Усі ці явища зумовлені дією електромагнітного поля на заряджені частинки в речовині. Так, якщо електромагнітна хвиля падає на поверхню металу, то на вільні електрони діє змінне електричне поле (електрична складова електромагнітної хвилі). Унаслідок цієї дії в поверхневому шарі металу виникають змінні електричні струми, які й випромінюють відбиту електромагнітну хвилю.


Підбиваємо підсумки

Взаємодія заряджених частинок відбувається за допомогою електромагнітного поля. Електромагнітне поле має дві складові (дві форми прояву) — електричну складову (електричне поле) і магнітну складову (магнітне поле): магнітне поле, що змінюється, створює електричне поле, а електричне поле, що змінюється, створює магнітне поле.

Поширення в просторі змінного електромагнітного поля називають електромагнітною хвилею. Швидкість поширення хвилі, її довжина та частота пов’язані формулою хвилі: v = Х\. Найкраще й найшвидше електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі є однаковою для будь-яких електромагнітних хвиль і дорівнює швидкості світла: c = 3 · 108 м/с. Світло теж є електромагнітною хвилею. Для вакууму формула хвилі має вигляд: c = Х\.

Контрольні запитання

1. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла? 2. Дайте означення електромагнітного поля, назвіть його складові. 3. Наведіть приклади, що підтверджують відносність електричного та магнітного полів. 4. Як утворюється електромагнітна хвиля? Які об’єкти можуть її випромінювати? 5. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю? Як вони пов’язані? 6. Які властивості електромагнітних хвиль було встановлено в ході дослідів Г. Герца?

Вправа № 19

1. Електромагніт підіймального крана живиться постійним струмом. Визначте:

1) в якому випадку електромагніт створює для оператора крана й електричне, й магнітне поля: а) електромагніт не рухається; б) електромагніт переносить вантаж;

2) в яких випадках електромагніт випромінює електромагнітні хвилі: а) в момент замикання кола; б) в момент розмикання кола; в) коли електромагніт, рухаючись рівномірно, переносить вантаж; г) коли нерухомий електромагніт тримає вантаж.

2. Доповніть таблицю, вважаючи, що хвилі поширюються в повітрі.

3. За даними рис. 19.6 визначте довжини електромагнітних хвиль для світла фіолетового та червоного кольорів. Розгляньте два випадки: світло поширюється а) у вакуумі; б) у склі (показник заломлення скла для світла червоного кольору дорівнює 1,64, для світла фіолетового кольору — 1,67).

4. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про винайдення радіо. Зробіть коротке повідомлення.

5. Човен гойдається у відкритому морі. Хвилі поширюються зі швидкістю 12 м/с; довжина хвилі 24 м. Яка частота ударів хвиль по корпусу човна? Яким є час між ударами?

 

Це матеріал з підручника Фізика 9 клас Бар'яхтар, Довгий

 






^