Мы говорим об электромагнитной волне как о распространении электромагнитных колебаний, для возникновения волны должен быть переменный ток или, другими словами, колебание заряда и, как следствие, колебания поля. Как добиться такого колебания заряда? Уж не взять ли батарейку и не переключать вручную плюс и минус? Это пришлось бы делать миллионы раз за секунду, так не получится.

Как подобная проблема решается в случае с механическими волнами, со звуком? Лучше всего, когда есть колебательная система, в которой могут происходить свободные колебания на определенной частоте. Например, в музыкальных инструментах это могут быть струны, язычки на клапанах (как в гармонях, баянах и т. д.), трубки (в духовых инструментах). У людей и животных такая колебательная система – это голосовые связки. И тогда можно сообщать энергию таким системам, например ударяя по струнам или пропуская через голосовые связки воздух, а частоту колебаний можно подстраивать, изменяя параметры колебательной системы: натяжение и длину струны, натяжение голосовых связок, форму трубки в духовых инструментах.

Создадим такую колебательную систему для электромагнитных колебаний. Чтобы заряд колебался, то есть перетекал из одного места в другое, нам нужны места, где он бы накапливался и между которыми бы он перетекал. Необходимое для этого устройство изобрели, его назвали конденсатор. Разберемся, как он работает и из чего состоит.

Возьмем две металлические пластины и расположим их друг напротив друга. Подключим к ним источник питания, к одной пластинке плюс, к другой – минус (см. рис. 18).

Рис. 18. Конденсатор

На пластинках будут накапливаться заряды: на одной плюс, на другой – минус. И хотя электроны отталкиваются друг от друга, но пластины объемные, на их площади есть где расположиться дополнительным электронам. К тому же, когда рядом находится пластина с противоположным зарядом, электроны к ней притягиваются и удерживаются. Таким образом, когда мы отключим источник питания, получим две пластины, на которых накоплены электрические заряды, одинаковые по модулю и противоположные по знаку (см. рис. 19). Это и есть простейший плоский конденсатор, а пластины, на которых накапливается заряд, назвали его обкладками.

Рис. 19. Заряженный конденсатор

Теперь, если замкнуть пластины проводником, заряды устремятся друг к другу, ведь противоположные заряды притягиваются, и перераспределятся, и вся система станет электронейтральной, конденсатор разрядится. А пока он будет разряжаться, по этому проводнику будет протекать ток.

Как движутся заряды в конденсаторе?

Мы рассмотрели конденсатор, обращая внимание на величину заряда, который накапливается на его обкладках. На одной – положительный заряд, а на другой – такой же по модулю отрицательный. А когда обкладки конденсатора замкнуты, заряды под действием электрических сил движутся и перераспределяются.

В этой модели положительный и отрицательный заряды пластин уменьшаются, и непонятно, что конкретно движется по проводнику и в какую сторону. Рассмотрим этот вопрос.

В проводнике свободными носителями заряда являются электроны, они и перемещаются. Носители положительного заряда, протоны, находятся в ядрах атомов и по веществу не перемещаются. Поэтому когда конденсатор накапливает заряд, какое-то количество электронов с суммарным зарядом перемещается с одной пластины на другую, на одной пластине возникает избыток электронов, а на другой – недостаток, и обе пластины приобретают заряд, и .

Понятно, что конденсаторы могут быть разные: одни могут вместить больше заряда, другие – меньше. Два разных конденсатора могут накопить одинаковые заряды, но при этом потребуется приложить разные силы, подключать к ним источники питания разного напряжения. Какие характеристики конденсатора можно выделить, чтобы иметь возможность оценивать его работу и проводить расчеты?

Для этого придумали физическую величину – электрическую емкость. Зарядом конденсатора считается заряд, который накопился на одной из обкладок, потому что на второй обкладке содержится такой же по модулю заряд. Так вот, электрическая емкость равна отношению заряда, который накапливается на конденсаторе, к напряжению на его обкладках. Обозначим емкость буквой и запишем:

Единица измерения емкости – фарад, в честь ученого Майкла Фарадея. Из определения, записанного в виде формулы, видно, что больше емкость того конденсатора, на котором накопится больший заряд при одном и том же приложенном напряжении.

Разновидности конденсаторов

Конденсатор не обязательно представляет собой две плоские пластины, параллельные друг другу. Два проводника, на которых будет накапливаться заряд, то есть обкладки конденсатора, можно сделать в виде двух цилиндров или двух сфер, одна внутри другой. Обкладки всех перечисленных форм остаются протяженными по площади, и принцип останется тот же: если приложить к обкладкам разность потенциалов, на обкладках будут накапливаться заряды противоположных знаков. Только заряды на разных обкладках могут взаимодействовать по-разному и накапливаться в разных количествах, поэтому от формы будет зависеть величина электрической емкости.

Еще емкость конденсатора изменяется, если поместить между его обкладками слой диэлектрика. Внутри диэлектрика электрическое поле ослабевает. Во сколько раз оно ослабевает – эту величину назвали диэлектрической проницаемостью и обозначили буквой . Получается, если заполнить пространство между обкладками диэлектриком, поле там будет слабее в раз и для создания заданного электрического поля, а значит, и разности потенциалов на обкладках конденсатора должен быть в раз больший заряд. То есть электрическая емкость увеличивается.

Мы будем чаще всего работать с плоским конденсатором, его электрическую емкость можно рассчитать по формуле:

где – это диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, как мы уже сказали, емкость пропорциональна .

– это электрическая постоянная, она равна .

S – это площадь перекрытия пластин. То есть учитывается не вся площадь, а та часть, которая перекрывается противоположной пластиной. Поэтому, меняя площадь перекрытия, можно менять емкость конденсатора.

d – расстояние между пластинами.

Если замкнуть конденсатор проводником, по нему потечет ток, который может совершить некоторую работу. Например, если подключить к конденсатору лампочку, то она будет светиться, пока этот ток будет течь. Поэтому конденсатор можно рассматривать как некий накопитель энергии (см. рис. 20).

Рис. 20. Конденсатор – накопитель энергии

Энергия заряженного конденсатора

Если замкнуть обкладки заряженного конденсатора, потечет ток: носители заряда будут двигаться под действием электрического поля, сила выполнит работу по перемещению зарядов.

Если выполняется работа, значит, заряженный конденсатор обладает энергией. Можно по-разному сформулировать, что именно обладает энергией: это энергия заряженного конденсатора, или энергия электрического поля, или потенциальная энергия взаимодействия зарядов. Главное – мы можем рассчитать эту энергию как работу по перемещению заряда.

Мы ввели удобную для вычисления работы величину – напряжение или разность потенциалов. Используем ее, работа равна:

Эта формула справедлива для постоянного напряжения, но при разрядке конденсатора это условие не выполняется. Электрическое поле и напряжение между обкладками конденсатора создается зарядами на этих обкладках. Понятно, что по мере уменьшения заряда уменьшается напряжение, по формуле для емкости это видно, . Это значит, что первые несколько электронов будут двигаться под действием большей силы, чем последние, когда конденсатор уже почти разряжен.

Что мы обычно делаем в таких случаях? Мы можем вычислять работу при постоянном напряжении. Разобьем время разрядки на короткие интервалы, на протяжении которых изменение заряда небольшое и напряжение не успевает заметно измениться. И потом останется сложить работу на каждом таком интервале. Подробно проделывать это не будем, запишем сразу результат: энергия электрического поля заряженного конденсатора равна:

Если выразить заряд или напряжение из формулы , то получим еще два варианта:

А мы возвращаемся к колебаниям. Вспомните, когда мы изучали механические колебания, какие были условия возникновения колебаний? Должно быть состояние устойчивого равновесия, то есть при отклонениях должна возникать возвращающая сила, и должна быть инерционность.

Представьте заряженный конденсатор. Чем больше мы его заряжаем, тем больше возникают силы, направленные на то, чтобы его разрядить и привести в состояние равновесия, когда все заряды распределены равномерно. То есть состояние устойчивого равновесия есть. Но пока нет инерционности: ток прекращается сразу, как только конденсатор разряжается. Это как если бы мы отклонили маятник, отпустили, и он просто вернулся бы в исходное положение и остановился.

Оказывается, у нас уже есть способ обеспечить эту инерционность. Вспомните явление самоиндукции – ток в катушке не нарастает и не убывает мгновенно, для этого нужно некоторое время. А это и есть необходимая нам инерционность.

Если замкнуть обкладки конденсатора через катушку, то ток в ней будет нарастать медленно, и в некоторый момент заряд конденсатора уже станет равен нулю, а ток через катушку только достигнет некоторого значения. В этот момент уже нет сил, вызывающих ток, и он мог бы прекратиться, но в катушке он не убывает мгновенно, поэтому некоторое время он как бы по инерции течет, заряды продолжают двигаться, и, пока ток прекратится, конденсатор успевает снова зарядиться, только со знаками, противоположными начальным. Получили снова заряженный конденсатор, замкнутый через катушку, поэтому процесс повторится (см. рис. 21).

Рис. 21. Инерционность колебательного контура

Получили колебания заряда, а систему из конденсатора и катушки назовем колебательным контуром. Частота полученных колебаний определяется параметрами конденсатора и катушки.

Индуктивность катушки и собственная частота колебательного контура

Мы на качественном уровне описали явление самоиндукции, как оно происходит и почему. И важно последствие самоиндукции – это инерционность тока в катушке, ток не нарастает и не убывает мгновенно, для этого нужно некоторое время.

Понятно, что в разных катушках эти процессы могут протекать по-разному. В одной катушке при протекании одного и того же тока будет возникать большее магнитное поле, в другой – меньшее, количество витков может быть разным, их площади тоже (а они определяют величину магнитного потока) и т. д. Чтобы можно было количественно сравнивать разные катушки, ввели физическую величину – индуктивность. Она равна магнитному потоку, проходящему через катушку, который создается единичным током в этой катушке. Обозначим индуктивность буквой и запишем:

Здесь Ф – это сумма магнитных потоков, проходящих через каждый виток катушки. То есть если магнитный поток через один виток равен , а количество витков равно N, то . Единицу измерения индуктивности назвали генри, в честь ученого Джозефа Генри, который открыл самоиндукцию.

Индуктивностью катушки определяется инерционность – то, как медленно ток будет сначала нарастать, а потом убывать. То есть это напрямую влияет на период и частоту электромагнитных колебаний. Емкость конденсатора тоже влияет на временны́е характеристики колебаний: чем больше емкость конденсатора, тем больше заряд накапливается на обкладках и тем медленнее он будет разряжаться, то есть тем больше будет период колебаний. Эти закономерности вывели строго в виде уравнения, давайте запишем его в готовом виде. Частота свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре равна:

Обратите внимание: это частота свободных колебаний. Если же колебания протекают под действием источника переменного тока или под действием электромагнитного поля, принятого антенной, мы называем их вынужденными. Мы рассматривали вынужденные механические колебания, и электромагнитные колебания подчиняются тем же закономерностям. Здесь тоже амплитуда вынужденных колебаний максимальна, если частота вынуждающего действия совпадает с частотой собственных колебаний в контуре (ее иногда называют просто собственной частотой колебательного контура), это явление – резонанс.

Мы настраиваем приемник на прием сигнала определенной частоты, используя резонанс. Приемника достигает множество волн разных частот от разных устройств, но колебания в колебательном контуре приемника вызывают только волны, частота которых равна собственной частоте контура. Изменяя собственную частоту контура, например изменением емкости конденсатора, мы настраиваемся на прием волн разных частот.

Применение электромагнитных волн для передачи энергии

Мы подробно разобрали, как можно использовать электромагнитные волны для передачи информации. Но распространение электромагнитных волн сопровождается переносом энергии, и это тоже можно использовать.

Колебания электромагнитного поля, которое возникает при распространении волны, могут вызывать колебания зарядов, которых достигает волна. А заряды есть в каждом атоме вещества – электроны и протоны. В разных атомах и молекулах они по-разному расположены, на этих подробностях мы останавливаться не будем, но некоторые молекулы при взаимодействии с электромагнитной волной приобретают кинетическую энергию, то есть вещество нагревается. На этом принципе работает микроволновая печь: там параметры электромагнитной волны подобраны так, чтобы она хорошо взаимодействовала с молекулами воды и продукты, содержащие воду, нагревались. Такие печи работают в СВЧ-диапазоне. Электромагнитная волна в этом случае не несет никакого информационного сигнала, здесь используется только перенос энергии.

Есть обогреватели, которые испускают инфракрасное излучение, – здесь тоже энергия переносится электромагнитной волной, только в другом диапазоне, в инфракрасном.

Конечно, если мы не используем волну целенаправленно для передачи энергии, она все равно передается, только в этом случае мы воспринимаем это как побочный эффект и стараемся его минимизировать.

Таким образом, у нас есть система, в которой могут протекать электромагнитные колебания нужной нам частоты. Это последнее, чего нам недоставало для передачи информации посредством электромагнитных волн. Дальше эту систему можно подключить к антенне, создав в ней ток, что приведет к излучению электромагнитной волны, другая антенна эту волну примет, с этими процессами мы сегодня разобрались.

Список литературы

Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е изд., передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика, 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

Звуковая и электромагнитная волны в воздухе имеют одинаковую длину 10 см. Опишите характер обеих волн (слышимая, неслышимая; свет, радиоволна и т. д.). Почему две волны одинаковой длины имеют столь разные свойства?
Почему затруднена радиосвязь на коротких волнах в горной местности?
На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если, по международному соглашению, длина радиоволны должна быть равной 600 м?