Электромагнитные волны и свет

Этот видеоурок доступен по абонементу

Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Из этого урока мы узнаем, что представляет из себя свет, почему волны разделяют на некоторые категории и какова их природа возникновения, а также изучим некоторые характеристики и свойства электромагнитных волн.

Сходства и отличия волн разной природы

Рис. 1. Снимок Луны

Перед вами снимок Луны (см. рис. 1). Его сделал космический аппарат. Но как он передал его на Землю, если между нами и Луной нет вещества?

Мы привыкли к тому, что информацию можно передавать, изменяя состояние вещества. Например – прошел корабль, от него пришла волна, по которой можно судить о его скорости и направлении движения. При этом до нас не дошла та вода, которую непосредственно толкнул корабль. До нас дошла волна, которая передала изменение состояния воды.

Звуки, которые мы слышим, – это тоже механические волны, изменение состояния воздуха. Но оказывается, что можно менять не только состояние вещества (воздуха, воды), но и состояние поля. Если научиться это делать, то можно передавать информацию на большие расстояния с высокой скоростью. Так работает не только связь со спутниками и космическими аппаратами, но и, к примеру, мобильные телефоны.

Какие физические явления положены в основу таких устройств? Рассмотрим заряд: мы знаем, что вокруг него есть электрическое поле. Если изменить величину заряда или переместить его, то поле в данной точке изменится. Причем изменение распространяется не мгновенно.

Представьте, что мы дернули конец пружины. Тогда к другому концу пружины это возмущение, локальное сжатие пружины, дойдет через некоторое время. По пружине распространится волна, этот процесс мы уже подробно изучили.

Итак, если изменить положение заряда, то тоже возникнет волна (изменение характеристик поля распространяется не мгновенно). Поскольку движение заряда – это ток, то, помимо изменений электрического поля, возникнет изменяющееся магнитное поле, поэтому мы будем говорить об изменении электромагнитного поля, а сами волны будем называть электромагнитными.

По аналогии с волной от корабля – если научиться принимать и анализировать характеристики электромагнитных волн, то можно восстановить исходное «возмущение» и расшифровать информацию, заключенную в этих характеристиках. Таким образом, открывается возможность для передачи информации (по аналогии со звуком).

Осталось договориться о «технике» – какими должны быть источник, приемник и какие характеристики электромагнитных волн нам в принципе будут важны.

Путь к использованию звука

Когда мы что-то изучаем, наша цель – применить полученную информацию. В физике это обычно хорошо прослеживается. Мы создали молекулярно-кинетическую модель строения вещества, выявили закономерности, которые назвали термодинамическими, и потом эти инструменты применили при создании теплового двигателя, дирижабля, холодильника и т. д. Изучили закономерности, связанные с электричеством, электрическим током, сформулировали закон Ома – и в рамках этой модели сконструировали множество электроприборов.

В некоторых случаях мы неосознанно проходим этот путь от изучения закономерности к применению, но этот путь все равно есть. Люди ездили на лошадях и знали, что их нужно кормить, еще задолго до того, как изучили анатомию лошади и биохимические процессы превращения энергии при пищеварении. Но тем не менее закономерности были изучены и потом применены, только эти закономерности были не в виде модели, оформленной по современным принятым в науке правилам, а в виде опыта где-то на подсознательном уровне.

Люди применяют звук для передачи информации – используют речь. Естественно, речь люди выработали намного раньше, чем описали математическую модель звуковой волны. Еще у предков человека было простое, но уже подобие речи. Они заметили, что на их голоса реагируют, и начали намеренно использовать разные выкрики и возгласы, чтобы обращать внимание собратьев, подавать им какие-то сигналы. Такое общение мы видим сейчас у животных, а у человека от простейших сигналов это развилось в сложную систему знаков, абстрактных понятий и пр.

Чтобы использовать явление в технике, нужна его математическая модель. Механические волны мы непосредственно наблюдаем, для их описания есть характеристики: длина волны, скорость распространения. Мы рассмотрели динамику распространения волны, взаимодействие между собой участков той же пружины или другой среды, по которой распространяются волны, как смещение одного участка вызывает смещение соседнего и т. д.

Оказалось, что звук можно описать, применив к нему ту же модель – механических волн. С той особенностью, что смещаются небольшие области воздуха, образуя участки с повышенным и пониженным давлением. То есть мы сначала обнаружили явления природы, а затем создали математическую модель для их описания. С электромагнитными волнами получилось наоборот: сначала придумали модель, а потом оказалось, что существует явление, которое она описывает.

В середине XIX века никто не знал о существовании электромагнитных волн и не наблюдал их. На тот момент описывали электрическое и магнитное поля с помощью отдельных моделей и изучали связь этих полей.

Ученый Джеймс Максвелл записал математические уравнения для тех явлений, которые на тот момент были известны: возникновения магнитного поля вокруг проводника с током, возникновения тока (а значит – электрического поля, иначе ток не возник бы) при изменении магнитного потока, действия магнитного поля на движущийся электрический заряд и т. д. Он усовершенствовал эти уравнения и преобразовал их. В итоге преобразование этих уравнений дало результат, который описал бы электромагнитные волны! Уже была математическая модель механических волн, их можно описать с помощью уравнений синуса и косинуса, и Максвелл получил такие же уравнения, только не для механических возмущений, а для возмущений электромагнитного поля. То есть он предсказал, что если все обнаруженные ранее закономерности верны, то должны существовать электромагнитные волны.

Механические волны – это распространение смещения атомов вещества, поэтому наличие этих атомов обязательно, без вещества они распространяться не могут.

Электромагнитные волны – это распространение изменений характеристик поля. Поэтому наличие или отсутствие вещества может повлиять только на сами изменения характеристик поля, но не на сам факт распространения электромагнитных волн. Так что связь посредством электромагнитных волн будет работать и в вакууме, и наоборот при наличии плотных преград.

Есть ли у поля граница?

Когда мы описываем взаимодействие зарядов, мы говорим о поле вблизи заряда. Речь пойдет об электрическом поле, но оно является проявлением электромагнитного, так что к нему применимы те же выводы.

Если поднести два заряда друг к другу, они притянутся или оттолкнутся. Вокруг заряда есть поле, и мы часто говорим об ограниченной области вблизи заряда, именно туда нужно поместить второй заряд, чтобы наблюдать взаимодействие.

А есть ли границы у этой области, внутри которых поле есть, а дальше – нет? По закону Кулона, сила электростатического взаимодействия зарядов равна:

Сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На больших расстояниях сила будет мала, она не будет заметно влиять на движение тел, ее не зарегистрируют доступные нам приборы, поэтому ею можно пренебречь и считать ее нулевой. Однако считать, что поле где-то заканчивается, неправильно (см. рис. 2).

Рис. 2. Зависимость силы взаимодействия от расстояния

Мы разобрали модель: заряд в свободном пространстве, и его поле есть везде, на любом исчислимом расстоянии от заряда. В реальном мире такого нет: бесконечное свободное пространство и в нем одно заряженное тело. В реальном мире множество заряженных тел, вещество состоит из заряженных протонов и электронов. Поэтому можно рассматривать такую модель: не поле есть вблизи заряда, а поле есть везде, как некая материя, пронизывающая все пространство. И поэтому электромагнитные волны могут распространяться так же по всему пространству. А заряды и то, как они расположены, влияет на параметры этого поля в разных точках. Вдали от зарядов поле слабее, вблизи заряда поле сильнее, вблизи другого заряда – еще сильнее. Где-то заряды распределены так, что их поля в сумме дают ноль или почти ноль, например внутри проводника. Как эти неоднородности влияют на распространение волны – это отдельная задача: где-то меняют направление, где-то отражаются и т. д. Но принципиальное отличие от механических волн, для распространения которых нужно вещество, мы увидели.

Чтобы использовать какое-то явление, в том числе электромагнитные волны, нужно их описать, нужна модель. Причем модель должна быть простой, нет смысла рассматривать процессы подробнее, чем нужно для решения прикладных задач: построить прибор, предсказать ход процесса с требуемой точностью. Эту точность мы определяем сами, здесь важен наш опыт и способность принимать решения, об этом – в ответвлении.

Как мы выбираем точность модели?

Навстречу друг другу катятся два шара, даны их массы и и скорости и . Найдите скорости шаров после упругого столкновения.

Как вы решите такую задачу? Здесь все просто: столкновение, скорее всего, лобовое, применим закон сохранения импульса и закон сохранения энергии (см. рис. 3).

Рис. 3. Столкновение тел

и так далее, останется только решить записанные уравнения.

Но так ли все просто? По шарам при ударе распространится механическая волна, раздастся звук удара. Они могут нагреться, так как абсолютно упругий удар – это модель, такого идеального удара в реальности быть не может. Никто не отменял гравитацию, шары притягиваются. Плюс могло быть вращение шаров, проскальзывание при качении. Это все могло повлиять на скорости шаров, а мы этого не учли, записали только простые уравнения.

Как же правильно, до какой точности нужно описывать процессы? Как правильно – решаем мы сами, в зависимости от задачи, которую решаем. Если нам достаточно примерно понять, в каком направлении и приблизительно с какой скоростью будут двигаться шары и не остановится ли один из них – выбранной модели с двумя уравнениями достаточно. Если речь о бильярде, то важную роль играет вращение и нелобовые столкновения под разными углами, там это надо учесть.

Мы сами выбираем точность модели в зависимости от решаемой задачи. В задачах, которые мы решаем на уроках физики, чаще всего этот выбор уже сделал за нас автор задачи. В самом условии подразумевается, как ее правильно решать и в рамках какой модели. В задаче о шариках прямо сказано, что столкновение упругое, даны массы и скорости шариков, намекая нам на то, какие уравнения применять.

Модель электромагнитной волны

Пока рассмотрим самую простую модель: электромагнитную волну, которая представляет собой распространение синусоидальных колебаний поля. Когда мы рассматривали механические волны, мы тоже начинали с распространения синусоидальных колебаний вещества.

Что такое колебания поля? То же, что и в случае с веществом: периодически повторяющиеся изменения физических параметров. Здесь это параметры поля: напряженность, магнитная индукция (см. рис. 4).

Рис. 4. Электромагнитная индукция

Как эти изменения распространяются? Давайте рассмотрим это в моделях электрического и магнитного поля, которые мы уже хорошо изучили.

Магнитная составляющая электромагнитного поля проявляется при движении заряда в данной системе отсчета. Но при движении заряда меняется электрическое поле, поэтому можно считать, что магнитное поле возникает при изменении электрического поля. Поскольку все эти формулировки эквивалентны, выберем в качестве модели последнюю: при изменении электрического поля возникает магнитное поле.

При движении заряда с постоянной скоростью возникает постоянное магнитное поле – мы изучали магнитное поле проводника с постоянным током. А что, если заряд движется с ускорением? Скорость движения заряда изменяется, значит, изменяется магнитное поле вокруг этого заряда. А что происходит при изменении магнитного поля? Один такой случай мы описали как электромагнитную индукцию: изменение магнитного поля. Его мы рассматривали как изменение магнитного потока через контур, которое вызывает ток в этом контуре. Вообще ток по проводнику просто так не течет, заряды движутся под действием электрического поля. Поэтому можно описать это так: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Почему вихревое – потому что оно не направлено от положительного заряда к отрицательному, оно замкнуто, и под его действием заряды движутся по кругу (см. рис. 5).

Рис. 5. Возникновение электромагнитной волны

Так вот, изменение электрического поля создает вихревое магнитное поле (оно всегда вихревое, линии магнитного поля замкнуты), а изменение магнитного поля создает вихревое электрическое поле. А его изменение, в свою очередь, создает магнитное поле, и так далее – таким образом можно описать распространение электромагнитной волны.

Мы увидели на качественном уровне, каким образом возмущение в одной области вызывает возмущение в соседней. Такая связь – это необходимое условие распространения волны. В случае с механическими волнами есть силы, возникающие при деформации вещества, сила натяжения веревки и т. д. В случае с электромагнитными волнами мы проследили такую цепочку: при ускоренном движении заряда изменение электрического поля вызывает появление магнитного, а изменение магнитного поля вызывает появление электрического.

Если описать эти процессы математически, как это сделал Максвелл, то получится система уравнений, простейшим решением которой действительно будет синусоидальная волна. Эта волна поперечная, то есть возникающие при ее распространении поля направлены перпендикулярно направлению ее распространения. Математика там достаточно сложная, ею мы сейчас заниматься не будем. Воспользуемся готовым результатом: система уравнений решается, решение представляет собой волну, и экспериментально подтвердилось, что это решение достаточно точно описывает реальные электромагнитные волны (см. рис. 6).

Рис. 6. Электромагнитная волна

Какие у нас уже есть инструменты для описания волн? Длина волны, скорость распространения волны, а так как распространяются колебания, то и частота. Эти понятия применимы и к электромагнитным волнам, и означают они то же, что и для других волн. Скорость распространения волны – это скорость перемещения возмущения. Длина волны – это расстояние между соседними точками пространства, в которых параметры поля колеблются в одинаковой фазе. Частота – это частота колебаний параметров поля в данной точке (см. рис. 7).

Рис. 7. Характеристики электромагнитных волн

Для электромагнитных волн справедливо уравнение, полученное для механических волн:

Скорость электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна приблизительно 300 000 км/с, эту постоянную обычно обозначают отдельной буквой, . В веществе эта скорость немного уменьшается, при этом уменьшается длина волны, а частота остается неизменной, об этом чуть позже. А скорость распространения электромагнитных волн – это вообще максимально возможная в природе скорость, ни один материальный объект не может двигаться с большей скоростью.

«Беспроводная» передача информации

При распространении волн не перемещается вещество, но перемещается возмущение и передается энергия. Это удобно использовать для передачи информации. Что такое вообще информация? Это понятие очень широкое, и одного четкого определения нет. Для физиков, которые решают задачу передачи информации, важно вот что: это какой-то сигнал, какое-то изменение физических величин, которое может быть расшифровано и интерпретировано, а значит, пóнято.

Как мы передаем информацию через звук при общении? Распространяется возмущение давления, передается механическая энергия колебаний воздуха. И когда волна достигает барабанной перепонки, перенесенная волной энергия превращается в ее энергию колебаний (см. рис. 8).

Рис. 8. Как мы слышим звуки

Дальше этот сигнал преобразуется, и в конечном итоге мозг интерпретирует полученный сигнал. Информацию может нести само наличие звука, может что-то означать его длительность и высота, по тембру мы догадываемся об источнике звука. Есть более сложные наборы звуков, в которых мы зашифровали буквы и слова, здесь уже сложная информационная нагрузка.

Мы не изобретали речь намеренно: «Мне нужно передать информацию, как бы ее зашифровать в виде звуков, чтобы другой человек ее понял?». Люди развивали речь интуитивно, подсознательно и пользовались ею задолго до того, как разобрались в механических волнах и в нервных импульсах. Мы до сих пор до конца не знаем многих деталей – например, как именно наш мозг дешифрует звуковые сигналы, то есть распознает речь.

Как передать информацию с помощью электромагнитных волн? Нужен передатчик и приемник. Когда мы рассматривали процесс распространения электромагнитной волны, то начинали с заряда, который движется с ускорением. Нам удобнее всего создавать движение заряда по проводам, мы его называем электрическим током. То есть нужен переменный электрический ток.

Подумаем, какой частоты должен быть этот ток. Скорость распространения электромагнитных волн огромна, 300 000 км/с. Если частота будет составлять несколько герц, пусть даже 50 Гц, как в бытовой сети питания, то длина такой волны будет равна:

Это 6000 км. Если решить инженерную задачу по расчету параметров излучателя, то окажется, что длина волны должна быть сопоставима с размерами антенны передатчика и приемника. И даже без расчетов это выглядит логичным: нам важно, что в одной точке параметры поля одни, в другой – другие, и это нужно зарегистрировать. А если эти точки разнесены на тысячи километров, то сделать это с помощью маленькой антенны (см. рис. 9) не получится. Для реализации связи нужна меньшая длина волны, а значит, бóльшая частота.

Рис. 9. Антенна

Есть еще одна причина, по которой волны с малой частотой использовать проблематично. Изменение магнитного поля порождает электрическое поле, а изменение электрического поля порождает магнитное. Причем величина возникающего поля пропорциональна скорости изменения. Вспомните: мы рассматривали явление электромагнитной индукции, там как раз сила тока в замкнутом контуре тоже пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Поэтому если частота тока будет слишком малой, то есть ток и возникающие вокруг поля будут изменяться медленно, то передаваемая энергия будет малой.

На практике электромагнитные волны с частотами в единицы герц тоже используются для специфических задач, таких как связь с подводными лодками, но более распространено использование частот от десятков и сотен кГц до десятков МГц в радиовещании, порядка сотен МГц и единиц ГГц для мобильной связи, единиц и десятков ГГц в сетях wi-fi и т. д. Используя формулу , можете посчитать, каким длинам волн соответствуют эти частоты.

Оказывается, свет тоже можно считать электромагнитной волной, для его описания подходит эта модель. Как мы воспринимаем механические волны разных частот в виде звуков разной высоты, так и электромагнитные волны определенных частот мы воспринимаем как свет определенного цвета. Частоты этих волн намного больше частот, применяемых в радиосвязи, подробнее об этом в ответвлении. А мы возвращаемся к радиоволнам.

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны разных частот обладают разными свойствами и по-разному применяются.

Это для нас не ново, с механическими волнами все так же. Да, волну, которая распространяется по пружине, звуковую волну и ультразвуковую волну можно описать одними и теми же уравнениями. Но свойства у них разные: волна на пружине не покидает пределы пружины, и ее мы видим. Звуковую волну мы воспринимаем на слух, у нее намного больше частота и скорость распространения. У ультразвука еще больше частота, его мы на слух не воспринимаем, а то, как он распространяется в разных средах, можно использовать, например, в УЗИ-диагностике. Рассмотрим электромагнитные волны разных частот и их особенности. 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.

Электромагнитные волны частот от совсем низких, в единицы герц, до приблизительно 300 ГГц принято называть радиоволнами, потому что частоты, которые используются в радиовещании и для радиосвязи, входят в этот диапазон.

Частоты ниже 300 кГц считаются низкими, среди них иногда выделяют просто низкие, очень низкие, сверхнизкие и т. д. частоты, см. таблицу рис. 10. Зная скорость распространения волн в вакууме (примерно такая же скорость будет для воздуха), можно найти длины волн, соответствующие названным частотам. При частотах ниже 300 кГц длина волны равна 1 км и больше, поэтому такие волны еще называют километровыми.

Рис. 10. Шкала электромагнитных волн

Дальше в порядке возрастания частоты идут волны средних, высоких, очень высоких, ультравысоких, сверхвысоких и т. д. частот. С увеличением частоты уменьшается длина волны, и если давать названия по длинам волн, то это метровые, дециметровые, сантиметровые и т. д. волны.

На более низких частотах возможно радиовещание на большие расстояния, с огибанием земного шара, но качество сигнала хуже. На более высоких частотах увеличивается влияние препятствий, передающая и принимающая антенны должны находиться в прямой видимости друг от друга, но улучшается качество связи и можно передать больше информации, на метровых волнах работает телевидение, а на дециметровых и сантиметровых – мобильная связь и беспроводные компьютерные сети.

Миллиметровые и субмиллиметровые волны используются для более узких исследовательских целей: в радиолокации, в исследовании материалов, в медицине. Часто дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны объединяют под общим названием «микроволны». Отсюда название микроволновой печи.

Теперь пропустим пока один диапазон и перейдем к частоте . Чем она интересна? Электромагнитные волны с частотами больше примерно и до примерно воспринимают наши глаза, и разные частоты мы воспринимаем как свет разных цветов. На рис. 11 [М1] вы видите, какие цвета соответствуют каким частотам и каким длинам волн. На шкале длин частот цвета расположились в том порядке, в каком мы их видим в радуге. То есть свет – это электромагнитные волны определенных частот. А скорость распространения электромагнитных волн часто называют просто скоростью света.

Рис. 11. Шкала электромагнитных волн. Видимое излучение.

Волны с частотами ниже, чем частота красного света, назвали инфракрасными, это весь тот диапазон, который мы пропустили, вплоть до миллиметровых радиоволн, от 3000 ГГц (а это ) до .

Инфракрасное излучение называют еще тепловым, его достаточно интенсивно излучают тела, нагретые до температур от комнатной и выше. С инфракрасным излучением передается тепловая энергия, происходит та самая теплопередача через излучение, которую мы рассматривали, когда говорили о тепловых явлениях.

Волны с частотами выше, чем частота фиолетового света, назвали ультрафиолетовыми, это волны с частотами от приблизительно до . Эти волны более «грубые» для живых организмов, в больших дозах они вызывают ожоги, повреждения сетчатки глаза, могут вызвать онкологические заболевания. Но малые дозы ультрафиолетового излучения нам необходимы, под его действием в коже вырабатывается витамин D. А еще под действием ультрафиолета мы получаем загар.

Далее в порядке увеличения частоты идет рентгеновское излучение, оно еще более «грубое», оно проникает сквозь мягкие ткани организма и вызывает образование ионов – ионизацию. Проникающую способность рентгеновских волн научились использовать, чтобы получить снимки внутренних органов – хорошо известные вам рентгеновские снимки.

Электромагнитные волны с частотами, большими, чем у рентгеновских волн, – это так называемое гамма-излучение. Оно образуется при ядерных реакциях, и его мы будем рассматривать чуть позже.

Как сделать так, чтобы электромагнитное поле не было сконцентрировано вблизи проводника, а чтобы волна излучалась в пространство, причем желательно в нужном нам направлении? Эта проблема решается при проектировании антенн – устройств для излучения и приема радиоволн. Форма антенны определяет, по каким траекториям движутся заряды, антенна может состоять из нескольких излучателей, отражателей и так далее – от этого всего зависит, какой будет волна. Конечно, это все не подбирается наугад, есть математические модели, с помощью которых можно рассчитывать параметры разных антенн.

Все сказанное об антеннах касалось излучения волн, но антенна работает и на излучение, и на прием. Когда электромагнитная волна достигает некоторой точки пространства, в этой точке возникает возмущение электромагнитного поля. И если там находится антенна, к тому же подобранная под параметры данной волны, то это возмущение поля вызовет в антенне движение заряда, а это уже принятый сигнал (см. рис. 12).

Рис. 12. Антенна – приемник сигнала

Теперь нам понятно, как осуществляется излучение, распространение и прием электромагнитных волн.

Передача информации через электромагнитные волны. Модуляция и демодуляция

Как зашифровать в электромагнитных волнах информацию? Нужно придумать, что для нас будет информацией, нужна система знаков. Само наличие или отсутствие сигнала может быть информацией, например об исправности прибора, вообще о наличии поблизости излучателя радиоволн. Но это все примитивно.

Вы наверняка слышали об азбуке Морзе. Это шифр, в котором буквы, цифры и другие знаки представляется в виде последовательности длинных и коротких сигналов с паузами между ними (см. рис. 13).

Рис. 13. Информация в волне

Что может использоваться в качестве сигналов? На письме эти длинные и короткие сигналы – это тире и точки, в звуковой передаче – это длинные и короткие по длительности звуки и т. д. Можно ли передать такой шифр с помощью электромагнитных волн? Да, например, можно сделать волну прерывистой.

Что мы, по сути, сделали? Мы сохранили электромагнитную волну с частотой, которая нам нужна для передачи этой волны, а информацию зашифровали в изменении амплитуды. На одном участке амплитуда какая-то большая, на другом – почти нулевая.

Такое изменение сигнала называется модуляцией: мы взяли один сигнал, выбрали один его параметр, в данном случае это амплитуда, и изменили его в соответствии со вторым сигналом, в котором заключена информация. Этот сигнал называется модулирующим, а тот первый, высокочастотный сигнал – несущим.

Мы могли бы изменять не амплитуду, а другой параметр, например частоту. Тогда при модулирующем сигнале промодулированный сигнал выглядел бы так (см. рис. 14), принцип понятен.

Рис. 14. Несущий и модулирующий сигнал

Можно ли взять модулирующий сигнал более сложный, чем импульсы разной длительности, например звуковую волну? Оказывается, можно. Частота звуковой волны достигает приблизительно 20 кГц, и это все еще намного меньше, чем частота радиоволн в десятки мегагерц (см. рис. 15).

Рис. 15. Модуляция звукового сигнала

Остается вопрос техники, как перевести механическую звуковую волну в электрический сигнал такой же формы – для этого создали микрофоны – и как промодулировать этим сигналом несущую волну – для этой задачи создали модулятор (см. рис. 16).

Рис. 16. Модулятор волны

Высокочастотное наполнение сигнала нужно для передачи волны, волна с такой частотой хорошо распространяется и удобно излучается, и принимается. Когда же высокочастотная радиоволна с переменной амплитудой достигает приемника, теперь стоит обратная задача: отделить звуковой сигнал от радиоволны, то есть провести демодуляцию (см. рис. 17).

Рис. 17. Демодулятор

Подробно устройство демодулятора мы сейчас разбирать не будем. И когда мы снова получим электрический сигнал, повторяющий звуковую волну, его можно подать на динамик, он вызовет колебания мембраны динамика, и мы услышим изначально зашифрованный в сигнале звук.

Конденсатор

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?