Тема 10.2. Електромагнітні хвилі. Фізичні основи радіотехніки. (2 год.)

Мета: поглибити та систематизувати знання студентів про електромагнітні хвилі; розкрити сутність фізичних основ радіотехніки; виховати науковий інтерес; розвивати зацікавленість до вивчення фізики; розвивати логічне мислення через проведення таких операцій як аналіз, порівняння, систематизація.

План.

1 Електромагнітне поле.

2 Електромагнітні хвилі, їх утворення та швидкість поширення.

3 Шкала електромагнітних хвиль.

4 Властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів частот.

Вивчення нового матеріалу.

Електромагнітне поле. Термін « електромагнітне поле » вперше запровадив М. Фарадей, причому для нього це був реальний фізичний об’єкт, розподілений у просторі. Дж. К. Максвелл надав ідеям М. Фарадея математичної форми. Він визначив електромагнітне поле як сукупність взаємопов’язаних векторних полів ( електричного та магнітного ) та встановив закони, яким вони підпорядковуються. У своїй теорії Максвелл показав таке:

1. електричне поле може бути створене нерухомими зарядами;

2. електричне поле може бути створене змінним магнітним полем, у цьому випадку його силові лінії є замкненими; вони охоплюють магнітний потік, що змінюється ( змінне електричне поле називається вихровим);

3. магнітне поле не має джерел ( у природі не існує магнітних зарядів ), його силові лінії завжди замкнені;

4. змінне електричне поле створює змінне магнітне поле; лінії індукції цього поля охоплюють лінії напруженості електричного поля ( рис. 1) аналогічно випадку створення змінним магнітним полем вихрового електричного поля.

При зростанні напруженості електричного поля напрям вектора магнітної індукції В утворює правий гвинт з напрямом вектора напруженості електричного поля Е, при зменшенні напруженості – лівий гвинт.

Рис. 1.

Джерелом змінного магнітного поля є заряди, що прискорено рухаються. Воно, в свою чергу, створює змінне електричне поле, яке викликає змінне магнітне поле. Ці змінні магнітні та електричні поля, що породжуються одне одним, являють собою електромагнітне поле. Таким чином,джерелом електромагнітного поля є електричні заряди, що прискорено рухаються.

Електромагнітне поле – це особлива форма матерії, за допомогою якої здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл.

Згідно з законом Максвелла, змінне електричне поле не може існувати без змінного магнітного, а змінне магнітне – без змінного електричного.

Таким чином, електромагнітне поле – це єдине ціле: в залежності : в залежності від системи відліку виявляються ті чи інші властивості поля.

Електромагнітні хвилі, їх утворення та швидкість поширення. Існування електромагнітних хвиль було передбачене М. Фарадеєм у 1832 році. Воно випливає з теорії електромагнітного поля Максвелла, який показав, що електромагнітні коливання поширюються у вакуумі зі швидкістю світла, яка дорівнює 3.10⁸ м/с.

Хвилею ми називаємо поширення коливань у просторі. Електромагнітні коливання являють собою коливання ( періодичні зміни абсолютних величин та напрямів ) векторів напруженості електричного поля Е та індукції магнітного поля В у часі і просторі.

Електромагнітні хвилі – це електромагнітні коливання, які поширюються у просторі.

На рис. 2 поданий розподіл електричного та магнітного полів у просторі у деякий момент часу для електромагнітної хвилі, що рухається у напрямку осi Z. Як видно з рисунка, електромагнітна хвиля – поперечна хвиля, тобто коливання електричного та магнітного векторів поля перпендикулярні напрямку поширення хвилі: Е ﬩ В ﬩ Z.

З теорії Максвелла випливає, що електромагнітна хвиля може породжуватися електронами, які періодично коливаються у провіднику ( зарядами, які прискорено рухаються). Оскільки заряди, що рухаються з прискоренням, створюють електромагнітне поле, то одного разу виникнувши, це електромагнітне поле, яке періодично змінюється, поширюється у просторі

Рис. 2. ( у всі боки від джерела хвиль ), створюючи електромагнітну хвилю. Наявність прискорення – головна умова випромінювання електромагнітних хвиль.

Також з теорії Максвелла випливає, що радіохвилі, світло, рентгенівське випромінювання являють собою електромагнітні хвилі з різними довжинами хвиль, причому між сусідніми діапазонами немає чітких меж.

Довжина світлової хвилі ( як і інших електромагнітних хвиль ) пов’язана з частотою та швидкістю поширення співвідношенням:

λ = ʋ / ν

Експериментальне підтвердження існування електромагнітних хвиль було отримане Г. Герцем у 1888 році за допомогою сконструйованого ним генератора та приймача електричних коливань, які увійшли в науку під назвою вібратор та резонатор Герца.

Вібратор Герца – це металева антена, яку називають відкритим коливальним контуром. До відкритого коливального контуру можна перейти від закритого, якщо поступово віддаляти одну від одної пластини

конденсатора ( рис. 3 ), одночасно зменшуючи площу пластин та кількість витків у котушці. Насамкінець вийде просто прямий дріт.

Рис. 3. Це і є відкритий коливальний контур. Ємність та індуктивність вібратора Герца малі, тому частота дуже велика. Збільшення частоти коливань необхідне для отримання інтенсивних електромагнітних хвиль, які можуть поширюватися на великі відстані.

У відкритому контурі заряди не зосереджені на кінцях, а розподілені по всьому провіднику, і сила струму сягає максимуму посередині. Електромагнітне поле охоплює весь простір навколо.

У своїх дослідах Герц збуджував у відкритому вібраторі серії імпульсів швидкозмінного струму. Коливання зарядів вібратора створювали електромагнітну хвилю. Реєстрація випромінених вібратором електромагнітних хвиль здійснювалась за допомогою приймального вібратора ( резонатора ), такого самого, як і випромінюючий ( коли власна частота приймального резонатора збігається з частотою випромінювача, спостерігається резонанс). Герц виявив коливання у приймальному вібраторі за виникненням іскор між його провідниками. Зі своїх дослідів Герц визначив швидкість електромагнітної хвилі, яка виявилася приблизно такою, що дорівнює швидкості світла. Таким чином досліди Герца яскраво підтвердили передбачення Максвелла:

• електромагнітні хвилі реально існують;

• швидкість електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла, тобто становить 3.10⁸ м/с.

Шкала електромагнітних хвиль.

Шкала електромагнітних хвиль. Вам уже відомо, що від параметрів коливального контуру залежить період і частота коливань. Оскільки ці величини пов’язані зі швидкістю хвилі та її довжиною, то можна зробити наступний висновок: в залежності від значень ємності конденсатора та індуктивності котушки можна отримувати електромагнітні хвилі радіодіапазону різної довжини ( різної частоти коливань ). Розташовані у визначеному порядку діапазони електромагнітних хвиль називають шкалою електромагнітних хвиль.

Усю шкалу ( рис.4) умовно поділяють на такі діапазони: низькочастотне випромінювання, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме випромінювання (світло), ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, та γ- випромінювання.

Рис.4

Принципової різниці між окремими випромінюваннями немає, оскільки всі вони є електромагнітними хвилями, що породжуються електричними зарядами, які прискорено рухаються. Поділ електромагнітних хвиль на окремі діапазони обумовлений тим, що прискорений рух заряджених частинок може відбуватися у різних системах фізичних тіл, що і визначає їх частоту.

Виявити електромагнітні хвилі можна за їх дією на заряджені частинки. Електромагнітні хвилі будь-якого діапазону в вакуумі поширюються з однаковою швидкістю 300 000 км/с.

Таким чином, електромагнітні хвилі різних діапазонів мають різні механізми випромінювання та різні властивості.

Спільними властивостями електромагнітних хвиль є :

• поглинання енергії хвиль речовиною;

• відбивання від перешкод;

• заломлення хвиль на межі поділу середовищ;

• дифракція хвиль ( огинання перешкод);

• інтерференція хвиль ( перерозподіл енергії хвиль при накладанні хвиль одної на одну);

• попередність електромагнітних хвиль.

Випромінювання різної довжини хвилі дуже відрізняються одне від одного за поглинанням їх речовиною. Короткохвильові випромінювання поглинаються несуттєво, але для них є прозорими ті речовини, які для світла непрозорі. Від довжини хвилі залежить також коефіцієнт відбивання електромагнітних хвиль. Та найголовнішою різницею між довгохвильовим та короткохвильовим випромінюваннями є те, що короткохвильове випромінювання виявляє окрім хвильових властивостей ще і властивості частинок.

Властивості електромагнітних хвиль

різних діапазонів частот.

Наведемо основні властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів у вигляді узагальнюючої таблиці:

№п/п	Назва діапазону	λ, м	Джерело випромінювання даного діапазону	Основні властивості хвиль даного діапазону та їх застосування
	Низько-частотне випроміню-вання (промислова частота)	104	Електроприлади, лінії електро-передач тощо.	Мають низьку енергію, згасають поблизу джерела і є скоріше побічним ефектом у роботі електроприладів.
2.	Радіохвилі:		Коливальний контур
	довгі	1 - 10 000		Добре огинають перепони поблизу земної поверхні (дифракція) та притягуються до Землі наведеними ними ж у земній корі індукційними струмами; поширюються далеко за горизонт.
	середні	100- 1000		Відбиваються від іоносфери та огинають земну поверхню. Забезпечують стійкий радіозв’язок.
	короткі	10-100		Поширюються прямолінійно від випромінюючої антени, можуть багато разів відбиватися від іоносфери Землі та поширюватися далеко за горизонт.
	ультра-короткі	10-10-2		Проходять крізь іоносферу; у межах поверхні Землі поширюються тільки у зоні прямої видимості. Застосовуються для космічного, мобільного зв’язку; телебачення та УКХ – радіостанцій.
3.	Інфра-червоне Випроміню- Вання (теплове)	10-3	Будь-яке тіло, що має температуру, більшу, ніж оточуючі тіла.	Інфрачервоні хвилі добре відбиваються блискучою поверхнею металів. Помітно нагрівають тіла. Застосовуються для сушки поверхонь, овочем, фруктів тощо. Прилади нічного бачення.
4.	Видиме світло	7,4.10-7 – 4.10-7	Атоми речовини у збудженому стані	Сприймаються оком. Оптичні прилади.
5.	Ультра- фіолетове випроміню-вання	4.10-7 – 10-9	Тіла, температура яких перевищує 3000 К ( зорі, туманності тощо; ртутні лампи)	Здійснюють помітну хімічну дію ( засмагання шкіри, вигоряння фарб на тканинах тощо), бактерицидну дію. У невеликих кількостях здійснюють позитивний вплив на живі організми ( сприяють виробленню вітаміну Д), у великих кількостях – негативний вплив ( рак шкіри).
6.	Рентгенів-ське випро- мінювання	10-9-10-11	Утворю-ються при гальмуванні пучка електронів, прискорених великою напругою.	Мають різний коефіцієнт поглинання різними речовинами. Застосовуються для діагностики в медицині та техніці; у науці – для вивчення будови кристалів.
7.	Гама-промені	<10-11	Виникають під час радіоактивного розпаду атомів.	Мають високу проникну та руйнівну здатність. Застосовуються у медицині (радіотерапія) для лікування ракових захворювань на ранніх стадіях

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке електромагнітне поле?

2. Хто першим запровадив термін «електромагнітне поле» ?

3. Кому належить перше визначення електромагнітного поля?

4. Дайте визначення електромагнітної хвилі.

5. Що є джерелом електромагнітної хвилі?

6. У чому полягають досліди Герца?

7. Історичне значення дослідів Герца.

8. До якого різновиду хвиль відносяться електромагнітні хвилі?

9. Що таке шкала електромагнітних хвиль?

10. Які діапазони хвиль виділено на шкалі?

11. Які властивості електромагнітних хвиль є спільними для всіх діапазонів?

12. Чим відрізняються електромагнітні хвилі різних діапазонів?

13. В чому полягає особливість електромагнітних хвиль короткохвильового діапазону?