Электромагнитные волны. 4

План

1.      Введение ………………………………………………………… 2 

2.      Характерные черты электромагнитного   взаимодействия….....4

3.      Экспериментальное доказательство существования
электромагнитного взаимодействия…………………………………………………..  7

4.      Плотность потока электромагнитного излучения …………….  9

5.      Изобретение радио …………………………………………….… 11

6.      Закон Фарадея………………………………………...…………12

7.      Модуляция и детектирование…………………………………… 13

8.      Сила Лоренца ……………………………………………….…… 16

9. Заключение …………………….………..…………………………18

10. Список литературы…………………………………………...…..19

Введени

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. В природе существует два вида волн: механические и электромагнитные. Ме­ханические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распростра­нения,  к которым, в частности, от­носятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может су­ществовать в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем ато­мов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при своем распростра­нении ведут себя подобно механическим.   Но подобно колебаниям все виды волн описываются количественно одинаковыми  или почти одинаковыми законами. В своей работе я постараюсь рассмотреть причины возникновения электромагнитных волн, их свойства и применение в нашей жизни.

         Характерные черты электромагнитного   взаимодействия.                                

Среди других типов взаимодействий Э. в. занимает промежуточное положение как по «силе» и характерным временам протекания процессов, так и по числу законов сохранения. Отношение безразмерных параметров, пропорциональных квадратам констант сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий и характеризующих «силу» взаимодействия протона с протоном при энергии ~ 1 Гэв в системе их центра масс, составляет по порядку величин 1:10-2:10-10:10-38. Характерные времена электромагнитных распадов элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер (10-12—10-21 сек) значительно превосходят «ядерные» времена (10-22 —10-24 сек) и много меньше времён распадов, обусловленных слабым взаимодействием (103—10-11 сек). Помимо строгих законов сохранения, справедливых для всех типов взаимодействий (энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда и др.), при Э. в., в отличие от слабых взаимодействий, сохраняется пространств. чётность, зарядовая чётность и странность. С хорошей степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к обращению времени. Э. в. адронов нарушает присущие сильному взаимодействию законы сохранения изотопического спина и G-чётности, при этом изотопический спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более чем на 1 (см., например, Пи-мезоны). Унитарная симметрия адронов (SU (3)-симметрия; см. Элементарные частицы) приводит к определённым соотношениям между электромагнитными характеристиками (например, магнитными моментами) частиц, принадлежащих к одному и тому же унитарному мультиплету.

  Законы сохранения и свойства фотонов в значит, степени определяют специфические черты Э. в. Так, равенство нулю массы покоя фотона обусловливает дальнодействующий характер Э. в. между заряженными частицами, а его отрицательная зарядовая чётность — возможность радиационного распада абсолютно нейтральных частиц или связанных систем частиц [т. е. частиц (систем), тождественных своим античастицам], обладающих положит. зарядовой чётностью, — 0-мезона, парапозитрония (см. Позитроний) лишь на чётное число фотонов. Возможность описания (в соответствующем пределе) Э. в. в рамках классической (а не только квантовой) физики и его макроскопические проявления обусловлены дальнодействующим характером Э. в. и тем, что фотоны подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике. Малая величина се определяет малость сечений электромагнитных процессов с участием адронов по сравнению с сечениями аналогичных процессов, протекающих за счёт сильных взаимодействий; например, сечение рассеяния фотона с энергией 320 Мэв на протоне составляет около 210-30 см2, что примерно в 105 раз меньше сечения рассеяния +-мезона на протоне при соответствующей полной энергии сталкивающихся частиц в системе их центра масс.

  Тот факт, что электрический заряд определяет «силу» взаимодействия и в то же время является сохраняющейся величиной — уникальное свойство Э. в.; вследствие этого Э. в. зависят только от электрического заряда частиц и не зависят от типа частиц или электромагнитных процессов. При описании электромагнитного поля 4-мерным вектором-потенциалом А(=0,1,2,3) [А (, А), А — векторный,  — скалярный потенциалы] плотность лагранжиана L Э. в. поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:

,

где: j — 4-мерный вектор плотности электрического тока: j = (c, j), j — плотность тока,  — плотность заряда. При градиентном преобразовании вектор-потенциала, которое называется также калибровочным преобразованием (2-го рода):

А  А + grad f (х, t),

,

где j (x, t) — произвольная функция координат х и времени t, наблюдаемые физические величины (напряжённости полей, вероятности электромагнитных процессов и т. п.) остаются неизменными. Это свойство, специфическое для Э. в., получило название принципа калибровочной инвариантности — одного из принципов симметрии в природе (см. Симметрии в физике), выражающего в наиболее общей форме факт существования электромагнитного поля (фотона) и Э. в. Обобщение калибровочной инвариантности на слабые взаимодействия позволило сформулировать единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов (см. Слабые взаимодействия).

  Тот факт, что электрический заряд определяет «силу» взаимодействия и в то же время является сохраняющейся величиной — уникальное свойство Э. в.; вследствие этого Э. в. зависят только от электрического заряда частиц и не зависят от типа частиц или электромагнитных процессов. При описании электромагнитного поля 4-мерным вектором-потенциалом А(=0,1,2,3) [А (, А), А — векторный,  — скалярный потенциалы] плотность лагранжиана L Э. в. поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:

,

где: j — 4-мерный вектор плотности электрического тока: j = (c, j), j — плотность тока,  — плотность заряда. При градиентном преобразовании вектор-потенциала, которое называется также калибровочным преобразованием (2-го рода):

А  А + grad f (х, t),

,

где j (x, t) — произвольная функция координат х и времени t, наблюдаемые физические величины (напряжённости полей, вероятности электромагнитных процессов и т. п.) остаются неизменными. Это свойство, специфическое для Э. в., получило название принципа калибровочной инвариантности — одного из принципов симметрии в природе (см. Симметрии в физике), выражающего в наиболее общей форме факт существования электромагнитного поля (фотона) и Э. в. Обобщение калибровочной инвариантности на слабые взаимодействия позволило сформулировать единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов (см. Слабые взаимодействия).

Экспериментальное доказательство существования

электромагнитных волн

Электромагнитные волн не видны в отличие от механических, но тогда как же они были обнаружены? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыты Герца.

Электромагнитная волна образу­ется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля при­водит к появлению другого. Как известно, чем быстрее меня­ется со временем магнитная индук­ция, тем больше напряженность воз­никающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний равна 1/ √ LС. От сюда видно, что она будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца.

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число вит­ков в катушке. В конце концов, полу­чится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный кон­тур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток  в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает макси­мума (в обычных же цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент вре­мени одинакова.) Электромагнитное поле также охватывает все пространство возле контура.

Герц получал элек­тромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника вы­сокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совер­шает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, дви­жущихся согласованно. В электро­магнитной волне векторы Е и В пер­пендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей че­рез вибратор, а вектор В перпенди­кулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной ин­тенсивностью в направлении, перпен­дикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Электромагнитные волны реги­стрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибра­тор. Под действием переменного электрического поля электромагнит­ной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного ви­братора совпадает с частотой элек­тромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаруживал эти колебания, наблюдав искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другие видам волн.

Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора. Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле с = λ v. Она оказалась приближенно равной скорости света:  с = 300 000 км/с. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Плотность потока электромагнитного излучения

Теперь перейдем к рассмотрению свойств и характеристик электромагнитных волн. Одной из характеристик электромагнитных волн является плотность электромагнитного излучения.

Рас­смотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.

                                                                                                  с    t

Плотностью потока электромагнитного излучения I называет отно­шение электромагнитной энергии    W , проходящей за время     t через перпендикулярную лучам поверх­ность площадью S, к произведению площади S на время   t.

Плот­ность потока излучения, в СИ выра­жают в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

После проведения ряда преобразований мы получаем что I = w c.

т. е. плотность потока излучения равна произведению плотности элек­тромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Мы не раз встречались с  идеализацией реаль­ных источников принятие в физике: материаль­ная точка, идеальный газ и т. д. Здесь мы встретимся еще с одним.

Источник излучения считается  точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оце­нивается его действие. Кроме того, предполагается, что такой источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Рассмотрим зависимость плотности потока излучения от расстояния до источ­ника.

Энергия, которую несут с собой электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, переносимая через единичную площадку за единицу времени, т. е. плотность потока из­лучения, уменьшается по мере удаления от источника. Выяснить зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника можно, поместив точечный источник в центр сферы радиусом R. площадь поверхности сферы S= 4 п R^2. Если считать, что источник по всем направлениям за время     t излучает энергию    W

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обрат­но пропорционально квадрату рас­стояния до источника.

Теперь рассмотрим зависимость плотности потока из­лучения от частоты. Как известно излучение элек­тромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля и магнитная ин­дукция электромагнитной волны про­порциональны ускорению а излучаю­щих частиц. Ускорение при гармо­нических колебаниях пропорцио­нально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорцио­нальны квадрату частоты

Плотность энергии электрическо­го поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного по­ля пропорцио­нальна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электро­магнитного поля равна сумме плот­ностей энергий электрического и маг­нитного полей. Поэтому плотность потока излучения  пропорциональна: (E^2+B^2). От сюда получаем, что I пропорциональна w^4.

Плотность потока излучения про­порциональна четвертой степени частоты.

Изобретение радио

Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обыч­ных условиях когерер обладает боль­шим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с дру­гом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере перемен­ный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление коге­рера резко падает (в опытах А. С. По­пова со 100000 до 1000—500 Ом, т. е. в 100—200 раз). Снова вернуть прибору  большое  сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимую для осуществления беспроволочной связи, А. С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрическо­го звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент при­хода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашечке, но и по коге­реру. С последним встряхиванием когерера аппарат был готов к приему новой волны.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из вы­водов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому кус­ку проволоки, создав первую прием­ную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает про­водящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.

Хотя современные радиоприем­ники очень мало напоминают при­емник  А. С. Попова, основные прин­ципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник так­же имеет антенну, в которой прихо­дящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется не­посредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источника­ми энергии, питающими последую­щие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупро­водниковых приборов.

7 мая 1895 г. на заседании Рус­ского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов проде­монстрировал действие своего прибо­ра, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио.

                      Закон Фарадея

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):

где

— электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

ΦB — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названный так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Правило Ленца: Индукционный ток возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток..

Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

— электродвижущая сила,

N — число витков,

ΦB — магнитный поток через один виток.

           Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

или с помощью эквивалентной формулы:

Здесь — напряжённость электрического поля, — магнитная индукция, C — произвольная площадка, — её граница.

Закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля.

            Модуляция и детектирование

С момента изобретения радио Поповым прошло некоторое время, когда люди захотели вместо телеграфных сигналов, состоящих из коротких и длинных сигналов, передавать речь и музыку. Так была изобретена радиотелефонная связь. Рассмотрим основные принципы работы такой связи.

При радиотелефонной связи колебания дав­ления воздуха в звуковой волне пре­вращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти коле­бания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на рас­стояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ пере­дачи неосуществим. Дело в том, что колебания звук новой частоты пред­ставляют собой сравнительно мед­ленные колебания, а электромагнит­ные волны низкой (звуковой) часто­ты почти совсем не излучаются. Для преодоления этого препятствия была разработана модуляция и детектирование рассмотрим их подробно.

Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные коле­бания, интенсивно излучаемые ан­тенной. Незатухающие гармониче­ские колебания высокой частоты вы­рабатывает генератор, например ге­нератор на транзисторе.

Для передачи звука эти высоко­частотные колебания изменяют, или как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний  низкой (звуковой) частоты. Можно, напри­мер, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колеба­ний. Этот способ называют ампли­тудной модуляцией.

график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;

б) гра­фик колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;

в) график модулированных по ам­плитуде колебаний.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контроли­ровать, работает станция или мол­чит. Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Амплитудная модуляция высоко­частотных колебаний достигается специальным воздействием на гене­ратор незатухающих колебаний. В частности, модуляцию можно осуществить, изменяя на колебательном контуре напряжение, создаваемое источником. Чем больше напряжение на контуре генера­тора, тем больше энергии поступает за период от источника в контур. Это приводит к увеличению амплитуды  колебаний в контуре. При уменьше­нии напряжения энергия, поступаю­щая в контур, также уменьшается. Поэтому уменьшается и амплитуда колебаний в контуре.

В самом простом устройстве для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного напряжения дополнительный источник переменного на­пряжения низкой частоты. Этим источником может быть, например, вторичная обмотка трансформатора, если по его первичной обмотке протекает   ток   звуковой   частоты. В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями напряжения на тран­зисторе. Это и означает, что высоко­частотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом.

Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют ча­стотную модуляцию — изменение ча­стоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Ее преиму­ществом является большая устойчи­вость по отношению к помехам.

Детектирование. В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобра­зования сигнала называют детекти­рованием.

Полученный в результате детек­тирования сигнал соответствует то­му звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Принятый при­емником модулированный высокоча­стотный сигнал даже после усиле­ния не способен непосредственно вызвать колебания мембраны теле­фона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вы­звать только высокочастотные коле­бания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необхо­димо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выде­лить сигнал звуковой частоты.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью  -  детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуум­ный диод) или полупроводниковый диод.

Рассмотрим работу полупровод­никового детектора. Пусть этот при­бор включен в цепь последователь­но с источником модулированных колебаний и нагрузкой. Ток в цепи будет течь преимуще­ственно в одном направлении.

В цепи будет течь пуль­сирующий ток. Этот пульси­рующий ток сглаживается с по­мощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединенный к нагрузке.

Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в кон­денсатор, заряжая его. Разветвле­ние тока уменьшает пульсации то­ка, проходящего через нагрузку. За­то в промежутке между импульса­ми, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через на­грузку.

Поэтому в интервале между им­пульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В резуль­тате этого через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.

Сила Лоренца

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия (не проверялась)

Сила Лоренца названа в честь голландского физика Хендрика Лоренца.

Сила Лоренца — сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:

(в СИ)

(в СГС), где:

        c — электродинамическая постоянная

        q — заряд частицы

        v — скорость частицы

        B — магнитная индукция поля

        α — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции (см также питч-угол)

При движении заряженной частицы в электромагнитном поле на неё будут действовать и электрическое, и магнитное поле (часто эту результирующую силу также называют силой Лоренца):

(в СИ)

(в СГС), где:

        E — напряжённость электрического поля

        FL — сила Лоренца

        Fe — сила, действующая со стороны электрического поля

Направление движения частицы в зависимости от её заряда при векторе магнитной индукции перпендикулярном вектору скорости.

В однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору скорости, под действием силы Лоренца заряженная частица будет равномерно двигаться по окружности постоянного радиуса r. Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой:

При скорости v намного меньшей скорости света период T не зависит от v:

Если заряженная частица движется в магнитном поле так, что вектор скорости v составляет с вектором магнитной индукции B угол α, то траекторией движения частицы является винтовая линия с радиусом r и шагом винта h:

,

,

                                            Заключение

Электромагнитное взаимодействие — Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом, а также между электрически нейтральными составными частицами, части которых обладают зарядом. Например, нейтрон — нейтральная частица, однако он содержит в своём составе заряженные кварки и потому участвует в электромагнитном взаимодействии (в частности, обладает ненулевым магнитным моментом).

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют кварки, электрон, мюон и тау-частица, а также заряженые калибровочные бозоны.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.