Тема 3.2.14 Основні властивості електромагнітних хвиль. Шкала електромагнітних хвиль.

План

1 Електромагнітні хвилі.

2 Хвильові рівняння.

3 Характеристики електромагнітних хвиль.

4. Шкала електромагнітних хвиль.

Література:

[1] Чолпан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк., 2004. – 567 с.

(§ 10.2 )

[2] За редакцією І.Є. Лопатинського. Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М. та ін. Курс фізики:

Навчальний підручник. – Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2002 р. – 367 с. (§ 87)

1 Згідно з теорією Максвелла змінне електричне і магнітне поле тісно взаємозв’язане, вони утворюють єдине електромагнітне поле.

Джерелами електромагнітного поля служать різні змінні струми: змінний струм у провідниках, коливний рух іонів, електронів й інших заряджених частинок.

Простою системою, яка еквівалентна змінному струму, є електричний диполь з моментом, що гармонічно змінюється.

Змінне електричне поле, яке виникає під час руху зарядів, породжує змінне магнітне поле, а змінне магнітне поле створює змінне електричне поле. Ці вторинні змінні поля мають вихровий характер. Отже, у просторі, який оточує заряди, виникає послідовність взаємних перетворень електричних і магнітних полів, що поширюються від точки до точки. Цей процес буде періодичним у часі і просторі і, отже, являє собою хвилю.

Електромагнітними хвилями називаються збурення електромагнітного поля, що поширюються у просторі.

Джерелом електромагнітних хвиль може бути і коливальний контур. Щоб випромінювання відігравало помітну роль, необхідно здійснити перехід від закритого коливального контуру, в якому електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора, а магнітне – всередині котушки індуктивності, до відкритого коливального контура (вібратор Герца), що має вигляд двох стрижнів, розділених іскровими проміжками. У відкритому контурі змінне електричне поле заповнює простір, що оточує контур, що істотно підвищує інтенсивність електромагнітного випромінювання.

2 Хвильове рівняння для напруженості електричного поля Еz:

і аналогічно отримуємо рівняння для напруженості магнітного поля Ну:

Отже, змінне електромагнітне поле поширюється в просторі у вигляді електромагнітної хвилі.

3 Фазова швидкість електромагнітних хвиль визначається виразом

Величина с = 3*10⁸м/с і збігається зі швидкістю світла у вакуумі. Це привело Максвелла до думки про електромагнітну природу світла.

З рівнянь Максвела випливає висновок про те, що вектори і електромагнітні хвилі завжди взаємно перпендикулярні. Крім того, вони лежать у площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі, тобто до вектора швидкості хвилі. Отже, електромагнітні хвилі є поперечними.

Коливання електричного і магнітного векторів у електромагнітній хвилі відбувається з однаковою фазою

(φ₁ = φ₂) - вони одночасно досягають максимальних значень і одночасно досягають максимальних значень і одночасно перетворюється в нуль, а амплітуди цих векторів зв’язані співвідношенням

Рівняння плоскої електромагнітної хвилі у векторній формі має вигляд

.

Косинусоїдальна електромагнітна хвиля називається монохроматичною хвилею. В кожній точці електромагнітного поля монохроматичної хвилі проекції векторів та на осі координат інерціальної системи відліку здійснюють гармонічні коливання однакової частоти , яка називається частотою хвилі.

На рисунку наведені вектори і поля плоскої монохроматичної хвилі в один і той самий момент часу. У фіксованій точці простору вектори та змінюються з часом за гармонічним законом.

4До електромагнітних хвиль належать хвилі різної довжини від радіохвиль до гамма-випромінювання. Встановити які-небудь чіткі межі різними видами електромагнітних випромінювань немає можливості, їх насправді не існує. Тому поділ електромагнітного спектра на певні ділянки має умовний характер, за винятком ділянки, що відповідає видимому випромінюванню, межі якого чітко визначені властивостями людського ока. В таблиці наведено діапазони, на які умовно поділяють шкалу електромагнітних хвиль.

Випромінювання різної довжини хвилі відмінюються один від одного по способу їх отримання (випромінювання антени, теплове випромінювання, випромінювання при гальмуванні швидких електронів та ін.) і методам реєстрації.

Всі надані види електромагнітного випромінювання народжуються також космічними об’єктами і успішно досліджуються за допомогою ракет, штучних супутників Землі і космічних кораблів.

По мірі зменшення довжини хвилі кількісні відмінності у довжині хвиль приводять до суттєвих якісних відмінностей.

Випромінювання різної довжини хвилі дуже сильно відміняються один від одного по поглинанню їх речовинами. Короткохвильові випромінювання (рентгенівські і особливо γ- промені) поглинаються слабо. Непрозорі для хвиль оптичного діапазону речовини прозорі для цих випромінювань. Коефіцієнт відбивання електромагнітних хвиль також залежить від довжини хвилі. Та головна відмінність між довгохвильовим та короткохвильовим випромінюваннями у тому, що короткохвильове випромінювання знаходить властивості частинок.

Контрольні запитання

1 Що називається електромагнітними хвилями?

2 Назвіть рівняння для напруженості магнітного поля.

3 Яку хвилю називають монохроматичною хвилею?

4 Дайте характеристику діапазонів шкали електромагнітних хвиль.

Змістовий модуль 3.2Магнетизм. Магнітне поле електричного струму.

Лекція № 21