05. Электромагнитные волны. Базовый уровень

Электромагнитное поле. Электромагнитные волны

Здравствуйте!

Волна распространяется без перемещения вещества. Когда вы кричите что-то другу, воздух не перемещается от вашего рта к его уху: частицы воздуха колеблются и передают эти колебания соседним частицам. Вспомним аналогию с падающими костяшками домино: первая костяшка непосредственно толкает только вторую, но в итоге падает весь ряд.

Для распространения механической волны обязательным условием является наличие вещества. В вакууме докричаться до друга не удастся. Действительно, чтобы передавались колебания частиц, нужно как минимум наличие этих самых частиц. Нет частиц — нет механической волны.

Но есть волны, для которых вакуум — не препятствие, а идеальная среда. Вспомним, что электромагнитная волна — это распространение изменения состояния электромагнитного поля, то есть она может распространяться независимо от наличия вещества, достаточно наличия поля («Электромагнитные волны и свет», 9 класс). Благодаря этому свойству электромагнитные волны получили широкое применение: с их помощью можно передавать информацию сквозь стены (беспроводной интернет), на большие расстояния (мобильная связь, радио) и даже поддерживать связь с космическими кораблями. В идеальном вакууме (в котором нет веществ, тел и других источников электромагнитных волн) электромагнитная волна могла бы распространяться сколь угодно долго и на сколь угодно большие расстояния.

Почему могла бы? Потому что такой идеальный вакуум — наша модель, приближение, которое позволяет нам с достаточной точностью описывать поведение электромагнитных волн для решения различных задач.

На этом уроке мы поговорим об электромагнитных волнах и рассмотрим различные модели для их описания.

Изменение параметров электромагнитного поля может быть одиночным или периодическим. Нас будут интересовать периодические колебания, распространение которых мы и называем электромагнитной волной. Как происходят электромагнитные колебания, мы подробно разобрали на уроке по ссылке («Электромагнитные колебания»).

Поговорим подробнее о процессах, которые сопровождают электромагнитные колебания.

По закону Фарадея переменное магнитное поле (которое мы описывали через изменение магнитного потока) порождает ЭДС в проводящем контуре. То есть возникает нечто, что заставляет заряды двигаться (причём наличие контура не важно — движение зарядов возникло бы независимо от их расположения в пространстве). Это нечто мы и называем электрическим полем.

Поэтому перефразируем закон Фарадея: переменное магнитное поле создаёт электрическое поле. Причём линии напряжённости этого поля замкнуты, заряды под его действием движутся по кругу. Такое электрическое поле назвали вихревым.

Шотландский физик Джеймс Максвелл предположил, что не только переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое, но и наоборот: переменное электрическое поле порождает магнитное, тоже, естественно, вихревое: магнитное поле другим не бывает.

Рассмотрим цепь с конденсатором. В ней ток течёт только в течение короткого промежутка времени после замыкания цепи. В это время вокруг проводника, в котором течет ток, возникает магнитное поле (закон Ампера), но магнитное поле возникает и в пространстве между обкладками конденсатора, где тока нет, но есть переменное электрическое поле.

Взаимосвязь переменных электрического и магнитного полей ещё раз показывает, что они существуют в виде единого целого — электромагнитного поля. Если есть переменное магнитное поле, то в той же области пространства обязательно существует переменное электрическое поле, и наоборот.

Электромагнитные волны

Единая теория электромагнитного поля, созданная Джеймсом Максвеллом, не только показала тесную связь и симметрию электрических и магнитных явлений, но и предсказала, что электрические и магнитные поля распространяются в виде волн.

Теория Максвелла основывается на четырёх твёрдо установленных научных утверждениях:

1. Силовые линии электрического поля начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах.

2. Силовые линии магнитного поля всегда являются замкнутыми, то есть не имеют начала и конца (рис. 5).

3. Переменное магнитное поле индуцирует ЭДС в проводящем контуре и, следовательно, электрическое поле в пространстве (рис. 6).

4. Движущиеся заряды (токи) возбуждают магнитные поля.

Эти утверждения можно записать в виде математических уравнений, ознакомиться с ними вы можете в ответвлении. А мы прокомментируем каждое утверждение.

Первое утверждение — это следствие закона Кулона. Оно отражает существование в природе свободных зарядов. Второе утверждение — это факт отсутствия в природе свободных магнитных зарядов (монополей). Третье — это закон индукции Фарадея. Четвёртое уравнение — эквивалент закона Ампера. Как было сказано выше, это утверждение Максвелл расширил: «Движущиеся заряды и переменные электрические поля возбуждают магнитные поля».

Гипотезу о возбуждении магнитного поля переменным электрическим полем при жизни Максвелла нельзя было подтвердить экспериментально, так как генерируемые магнитные поля были очень слабыми, и измерить их характеристики было невозможно. Поэтому Максвелл искал косвенные способы подтверждения своей гипотезы. Он обратил своё внимание на явления, связанные с ускоренным (колебательным) движением электрических зарядов в проводнике, подключенном к источнику переменного тока.

Если электрический заряд совершает быстрые колебания вдоль прямой, как пружинный маятник, но с гораздо большей частотой, то вблизи колеблющегося заряда электрическое поле будет периодически изменяться. Частота изменений этого поля равна частоте колебаний заряда.

Меняющееся электрическое поле породит переменное магнитное поле (рис. 8, а), которое, в свою очередь, породит периодически меняющееся электрическое поле дальше от заряда и т. д. (рис. 8, б).

Рис. 8. Процессы взаимного порождения переменных электрического и магнитного полей

В пространстве, которое окружает заряд, возникнет расширяющаяся область с периодически меняющимися электрическими и магнитными полями — бегущая электромагнитная волна, распространяющаяся во всех направлениях от колеблющегося заряда (источника).

Как мы говорили в начале урока, распространение электромагнитных волн не требует обязательного наличия среды. Вернее, средой для них является само электромагнитное поле. И в этой «среде» переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает переменное магнитное поле и т. д. Поэтому электромагнитные волны могут распространяться в вакууме, они не требуют наличия вещества.

Итак, электромагнитная волна — это распространение электромагнитных возмущений в пространстве. Скорость электромагнитной волны в вакууме — конечна, но очень велика. Максвелл доказал, что она приблизительно равна

, мы уже знаем, что это —скорость света. Собственно, свет — это тоже электромагнитная волна, об этом поговорим чуть позже.

Из гипотезы Максвелла и четырех перечисленных выше утверждений можно получить, что в электромагнитной волне векторыи

 перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны; это значит, что электромагнитная волна является поперечной (рис. 10). Для вывода необходимо решить сложную систему уравнений Максвелла, это требует математического аппарата, который выходит далеко за рамки школьной программы, поэтому примем этот результат как установленный и доказанный факт.

Если вращать буравчик от векторак вектору, то перемещение острия буравчика указывает направление распространения волны.

Векторы и меняются периодически во времени. В разных точках колебания этих векторов могут происходить с разными фазами, т. е. чем точка дальше от источника, тем позже к ней подходят колебания. Кратчайшее расстояние между двумя ближайшими точками с совпадающими фазами колебаний — это длина волны, мы это понятие уже вводили и используем его без изменений. Колебания векторовив любой точке совпадают по фазе, они достигают максимума и равны нулю одновременно.

Электромагнитные волны излучаются не только при колебаниях, но и при любом другом движении заряда с ускорением. Интенсивность излучения определяется величиной ускорения. Можно считать, что при резком ускорении заряда создаваемое им электромагнитное поле «отстаёт» от источника и продолжает своё существование в форме электромагнитной волны.

Диапазоны электромагнитных волн

Волны разных частот и разных длин волн могут проявлять разные свойства. Мы увидели это на примере механических волн. Волны с частотой от 20 Гц до 20 кГц мы воспринимаем на слух и называем их звуком. Волны с большей частотой (ультразвуковые) позволяют спроектировать излучатели так, чтобы волны распространялись в виде узко направленных лучей (медицинское исследование УЗИ), волны с меньшей частотой (инфразвук) могут негативно влиять на внутренние органы; при частоте порядка нескольких герц колебания становятся видимыми невооруженным глазом как вибрации.

Среди электромагнитных волн тоже можно выделить разные диапазоны частот, при которых волны проявляют разные свойства. Свойства не меняются скачкообразно, волну с частотой 981 МГц можно использовать в технике так же, как и волну с частотой 980 МГц. Так что границы диапазонов условны и приблизительны.

Поскольку все электромагнитные волны распространяются со скоростью света c, их частотыf и длины волнсвязаны соотношением. Рассмотрим свойства и области применения электромагнитных волн в зависимости от частоты (длины волны). Начнём с наиболее высокочастотных волн.

Гамма-лучи ()излучаются радиоактивными материалами. Они обладают высокой проникающей способностью и способны поражать ткани живых организмов. Те, кто работает вблизи радиоактивных источников, должны быть защищены поглощающими такое излучение экранами, например, из свинца.

Рентгеновские лучи () излучаются при бомбардировке металлической цели высокоэнергетическими электронами. Эти лучи используются в медицине для диагностики и для лучевой терапии рака. Применять их нужно с осторожностью, так как они могут повреждать ткани организма.

Ультрафиолетовый свет () — это компонент солнечного света, вызывающий у людей загар. При большой интенсивности ультрафиолет может быть опасным. К счастью, большая часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощается в верхних слоях земной атмосферы.

Видимый свет () — видимая людьми часть солнечного спектра излучения. Человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету (λ равна околом). Электромагнитные волны этого диапазона излучаются при переходе орбитальных электронов атомов между энергетическими уровнями.

Инфракрасное излучение () производится горячими объектами, его иногда называют «тепловым». Оно хорошо поглощается большинством материалов, которые при этом нагреваются. Инфракрасное излучение имеет большое научное и практическое значение (изучение колебаний атомов и молекул, измерение температуры, лечение некоторых заболеваний, приборы ночного видения и др.).

Микроволны () генерируются электронными устройствами, они используются в радиолокаторах, микроволновых печах.

Радиоволны () используются в телекоммуникациях (радио, телевидение, телефония).  Различают такие диапазоны радиоволн: ультракороткие (УКВ), короткие (КВ), средние (СВ), длинные (ДВ).

На шкале вы видите, какие применения находят радиоволны разных диапазонов.

На этом наш урок заканчивается! Спасибо за внимание!

Список литературы

1. Физика. Базовый уровень. 11 класс: учебник / В. А. Касьянов. ― 7-е изд., перераб. — М.: Дрофа, 2019. — 288 с.

2. Физика: Базовый уровень: 11 класс: учебник / Г. Я. Мякишев, М. А. Петрова, О. С. Угольников и др. — М.: Дрофа, 2018. — 476 с.

3. Генденштейн Л. Э. Физика 11 класс. В 2 ч.: учебник для учащихся общеобразовательных организаций (базовый и углубленный уровень) / Л. Э. Генденштейн, Ю. И. Дик — М.: Мнемозина, 2014. — 384 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет ресурс «Profil» (Источник)

2. Интернет-портал «youtube.com» (Источник, Источник, Источник, Источник)

Домашнее задание

1. Недалеко друг от друга находятся заряженный шар и постоянный магнит. Есть ли в пространстве между ними электромагнитное поле? Ответ обоснуйте.

2. Изобразите силовые линии индукционного электрического и магнитного полей, соответствующих переменным полям (см. рис.).
   

3. Что случится, если в микроволновую печь поместить пустой сухой стакан, стакан с чаем, стакан с чаем в подстаканнике? Ответ обоснуйте.

4. Длина электромагнитной волны в воздухе равна

   . Чему равна частота колебаний вектора напряжённости электрического поля в этой волне? Как направлены векторы напряжённости и магнитной индукции по отношению к вектору скорости волны?

5. Опишите примеры практического применения электромагнитных волн различных диапазонов (не менее двух типов). Какие нежелательные эффекты связаны с электромагнитными волнами?