Постоянная распространения — Propagation constant

Движения зарядов с ускорением, например, движение по окружности или колебания, порождают в пространстве распространение электромагнитных волн. Рассмотрим особенности этого процесса.

rasprostranenie-elektromagnitnyh-voln.jpg

Влияние среды на электромагнитную волну

Электромагнитная волна представляет собой структуру вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. В вакууме такая структура распространяется от заряда, движущегося с ускорением во всех направлениях с постоянной скоростью, называемой скоростью света, равной $3×10^8$ м/с.

Однако, если заряд движется в некоторой среде, то эта среда оказывает на процесс распространения электромагнитной волны очень заметное влияние.

Любая среда в какой-то степени поглощает энергию электромагнитной волны, и амплитуда вектора ее напряженности падает. Наблюдать такое поглощение можно, вспомнив, что свет также является электромагнитной волной, и существуют прозрачные и непрозрачные для света вещества. Другие электромагнитные излучения в различных средах также поглощаются по-разному.

Возможность получения рентгеновских снимков обусловлена тем, что различные ткани по-разному поглощают рентгеновские лучи. Там, где лучи, пройдя через биологическую ткань, не ослабли – воздействие на чувствительный слой экрана будет сильнее, чем там, где лучи были сильно поглощены.

fizika-137674-primery-rentgenovskih-snimkov.jpg

Рис. 1. Примеры рентгеновских снимков.

Скорость распространения электромагнитной волны в среде меньше, чем в вакууме, и это приводит к частичному отражению волны на границе сред, и преломлению ее при переходе из одной среды в другую. Тут опять можно обратиться к свету – блики на поверхности воды – это пример отражения света, а «сломанная» ложка в стакане с водой – пример преломления.

fizika-137674-primer-prelomleniya-lozhka-v-stakane.jpg

Рис. 2. Пример преломления ложка в стакане.

Влияние длины волны на процесс распространения

Коэффициент поглощения и преломления электромагнитной волны в среде достаточно сильно зависит от ее частоты (и длины).

Низкочастотные (сверхдлинные) волны

Электромагнитные волны c частотой $10^4$ Гц и менее способны достаточно далеко распространяться в диэлектрических средах (в толще воды или земли). При этом, за счет большой длины волны (десятки километров) они также могут достаточно хорошо огибать препятствия и кривизну Земли.

Радиоволны

По мере увеличения частоты, радиоволны теряют способность к огибанию препятствий, а также все сильнее поглощаются диэлектрическими средами. Однако, при этом они начинают хорошо отражаться от верхних слоев атмосферы. Это обуславливает возможность радиосвязи на больших расстояниях, иногда между точками на противоположных сторонах Земли.

Однако, для волн частотами свыше $10^8$ Гц верхние слои атмосферы становятся прозрачными, а диэлектрические препятствия начинают отражать волны таких высоких частот.

Световой диапазон

Начиная с частот $10^{11}$ Гц электромагнитные волны ведут себя подобно свету. Условно световой диапазон разбит на инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую область. Характер распространения таких волн приблизительно одинаков – они очень плохо проникают сквозь большинство диэлектриков, но атмосфера для них почти прозрачна.

Рентгеновский и Гамма диапазон

Волны частотой, начиная с $10^{18}$ Гц начинают все лучше проникать сквозь различные, и даже проводящие среды, за счет того, что длина волны становится сравнима с размерами атомов, а для гамма-диапазона даже сравнима с размерами ядер. Кроме того, малая длина волны обуславливает слабое отражение волн этого диапазона от границ различных сред.

fizika-137674-tablica-shkaly-elektromagnitnyh-voln.jpg

Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.

Что мы узнали?

В вакууме электромагнитная волна свободно распространяется во все стороны от заряда, движущегося с ускорением. Любая среда в какой-то степени поглощает энергию, и амплитуда волны по мере распространения падает. Кроме того, скорость распространения в среде меньше, чем в вакууме, это приводит к частичному отражению волны на границе сред и к преломлению ее при переходе из одной среды в другую.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    Электромагнитное излучение распространяется от заряда, движущегося с ускорением…</h3>

    • <label>по направлению движения</label>
    • <label>против направления движения</label>
    • <label>во всех направлениях</label>
    • <label>перпендикулярно движению</label>

(новая вкладка)<index>1491316829_4.jpg

Максвелл математически объединил законы электродинамики, связав электрические и магнитные явления, и таким образом пришел к выводу, что изменяющиеся с течением времени электрическое и магнитное поля порождают друг друга.

Справедливым, по мнению Максвелла, было и обратное утверждение, что «изменяющееся электрическое поле рождает магнитное поле в окружающем пространстве», однако это утверждение оставалось поначалу только гипотезой.

Максвелл записал систему математических уравнений, которые непротиворечиво описали законы взаимных превращений магнитного и электрического полей, эти уравнения стали впоследствии основными уравнениями электродинамики, и стали называться «уравнения Максвелла» в честь записавшего их великого ученого. Гипотеза Максвелла, с опорой на написанные уравнения, возымела несколько чрезвычайно важных для науки и техники выводов, которые приведены ниже.

Электромагнитные волны действительно существуют

В пространстве могут существовать поперечные электромагнитные волны, представляющие собой распространяющееся с течением времени электромагнитное поле. На то что волны являются поперечными, указывает тот факт, что векторы магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е взаимно перпендикулярны и оба лежат в плоскости перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью

Скорость распространения электромагнитных волн в веществе конечна, и определяется она электрическими и магнитными свойствами вещества, по которому волна распространяется. Длина синусоидальной волны О» при этом связана со скоростью П… определенным точным соотношением О» = П… / f, и зависит от частоты f колебаний поля. Скорость c электромагнитной волны в вакууме — одна из фундаментальных физических констант — скорость света в вакууме.

Электромагнитная волна — это электрическое и магнитное поля, взаимно превращающиеся друг в друга

Электромагнитные волны переносят энергию

Электромагнитная волна в процессе своего распространения создает поток электромагнитной энергии, и если рассмотреть площадку в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны, то за малое время через нее переместится определенное количество электромагнитной энергии. Плотность потока электромагнитной энергии — это количество энергии, переносимой электромагнитной волной через поверхность единичной площади за единицу времени. Подставив значения скорости, а также магнитной и электрической энергии, можно получить выражение для плотности потока через величины Е и В.

Вектор Пойнтинга — вектор потока энергии волны

Поскольку направление распространения энергии волны совпадает с направлением скорости распространения волны, то поток энергии, распространяющийся в электромагнитной волне можно задать при помощи вектора, направленного так же, как и скорость распространения волны. Этот вектор получил название «вектор Пойнтинга» — в честь британского физика Генри Пойнтинга, разработавшего в 1884 году теорию распространения потока энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии волны измеряется в Вт/кв.м.

Электромагнитные волны давят на отражающие или поглощающие их тела

При действии электрического поля на вещество, в нем появляются небольшие токи, представляющие собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Эти токи в магнитном поле электромагнитной волны подвергаются действию силы Ампера, которая направлена вглубь вещества. Сила Ампера и порождает в итоге давление.

Это явление позже, в 1900 году, было исследовано и подтверждено опытным путем русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым, экспериментальная работа которого явилась очень важной для подтверждения теории электромагнетизма Максвелла и ее принятия и утверждения в дальнейшем.

Поскольку импульс связан с движением массы, можно ввести и такое понятие как электромагнитная масса, и тогда для единичного объема это соотношение (в соответствии с СТО) примет характер универсального закона природы, и окажется справедливым для любых материальных тел, вне зависимости от формы материи. А электромагнитное поле тогда сродни материальному телу — обладает энергией W, массой m, импульсом p и конечной скоростью распространения v. То есть электромагнитное поле — это одна из форм реально существующей в природе материи.

Окончательное подтверждение теории Максвелла

Впервые в 1888 году Генрих Герц подтвердил экспериментально электромагнитную теорию Максвелла. Он опытным путем доказал реальность электромагнитных волн и изучил такие их свойства как преломление и поглощение в различных средах, а также отражение волн от металлических поверхностей.

Герц измерил длину волны электромагнитного излучения, и показал, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Экспериментальная работа Герца стала последним шагом к признанию электромагнитной теории Максвелла. Семь лет спустя, в 1895 году, русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны для создания беспроводной связи.

Электромагнитные волны возбуждаются только ускоренно движущимися зарядами

В цепях постоянного тока заряды движутся с постоянной скоростью, и электромагнитные волны в этом случае в пространство не излучаются. Чтобы имело место излучение, необходимо воспользоваться антенной, в которой возбуждались бы переменные токи, то есть токи, быстро изменяющие свое направление.

В простейшем виде для излучения электромагнитных волн пригоден электрический диполь небольшого размера, у которого бы быстро изменялся во времени дипольный момент. Именно такой диполь называют сегодня «диполь Герца», размер которого в несколько раз меньше длины излучаемой им волны.

При излучении диполем Герца, максимальный поток электромагнитной энергии приходится на плоскость, перпендикулярную оси диполя. Вдоль оси диполя излучения электромагнитной энергии не происходит. В важнейших экспериментах Герца были использованы элементарные диполи как для излучения, так и для приема электромагнитных волн, так и было доказано существование электромагнитных волн.

</index>

11 класс

Пройдите тест по явлению ЭМИ!

Пройдите тест по природе света!

Электродинамика       

             Магнитное поле

                        Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Вихревое поле

                        Сила Ампера. Электроизмерительные приборы. Громкоговоритель. Сила Лоренца

                        Электромагнитная индукция. Открытие ЭМИ. Магнитный поток

                        Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля

Магнитные свойства вещества

                         Уравнения Максвелла*

             Механические колебания

                        Свободные и вынужденные колебания. Условия возникновения колебаний

                        Динамика колебательного движения. Энергия колебательного движения

                        Сложение гармонических колебаний. Резонанс. Автоколебания

             Электромагнитные колебания

                        Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур

                        Переменный электрический ток. Активное, ёмкостное, индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

                        Электрический резонанс. Мощность в цепи с активным сопротивлением

                        Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. Производство, передача и использование электрической энергии

             Механические волны

                        Механические волны.  Длина волны. Скорость волны. Свойства волн

                        Звуковые волны. Звук. Эффект Допплера

             Электромагнитные волны

                        Электромагнитные волны. Экспериментальное обнаружение и свойства электромагнитных волн

                        Изобретение радио А.С. Поповым. Принцип радиосвязи. Модуляция и детектирование. Простейший детекторный приёмник

                        Распространение радиоволн. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи

Оптика

             Геометрическая оптика

                        Развитие взглядов на природу света

                        Основные понятия геометрической оптики. Фотометрия

                        Принцип Гюйгенса и Ферма. Закон отражения. Закон преломления света. Полное отражение

                         Плоское зеркало. Сферическое зеркало

                                                                    Задачи на сферическое зеркало

             Линза 

                        Линза. Формула тонкой линзы

                        Построение изображений, даваемой линзой

                        Оптические приборы

             Волновая оптика

                        Скорость света

                        Дисперсия света. Интерференция света

                        Дифракция света. Дифракционная решётка

                        Поляризация света

Основы теории относительности

                        Законы электродинамики и принцип относительности

                        Постулаты теории относительности. Релятивисткой закон сложения скоростей

                        Зависимость массы тела от скорости его движения. Связь между массой и энергией

Основы квантовой физики

             Излучения и спектры

                        Виды излучений. Источники света

                        Спектры и спектральный анализ

                        Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение

                        Шкала электромагнитных излучений

             Световые кванты

                        Физические истоки квантовой теории

                        Теория фотоэффекта. Применение фотоэффекта

                        Фотоны. Давление света. Гипотеза де Бройля

             Атомная физика

                        Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

                        Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору

                        Атом водорода в квантовой механике

                        Вынужденное излучение света. Лазеры

                        Открытие радиоактивности. Альфа-, Бета-, гамма- излучения

                         Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений

                        Радиоактивные превращения

                        Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Изотопы

             Ядерная физика

                        Открытие нейтрона. Состав ядра атома

                        Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные спектры

                        Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций

                        Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор

                        Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии

                        Получение радиоактивных изотопов и их применение. Биологическое действие радиоактивныхизлучений

             Физика элементарных частиц

                        Стандартная модель элементарных частиц

                        Открытие позитрона. Античастицы

             Современная физическая картина мира

                        Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

             Строение Вселенной

                        Солнечная система

                        Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд

                        Наша галактика и другие галактики

                        Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной

                        Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов

                        «Красное смещение» в спектрах галактик

                        Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной

                        Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик

Медиаматериалы

Магнитное поле

Дисперсия света

Виды излучений и спектры

Загадки спектра

Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение

 

 

Примерные темы проектов

Информация о материале
  • Вы здесь:  
  • Главнаяarrow.png
  • 11 класс

Используемые источники:

  • https://obrazovaka.ru/fizika/rasprostranenie-elektromagnitnyh-voln.html
  • http://electricalschool.info/spravochnik/electroteh/1874-jelektromagnitnye-volny.html
  • https://light-fizika.ru/index.php/11-klass