Электромагнитные колебания и волны.

Для возбуждения электромагнитных колебаний служат системы, называемые колебательным контуром, состоящие из параллельно соединенных между собой индуктивности L и емкости С. Рассмотрим идеальный контур, т.е. контур, сопротивление которого равно нулю (R = 0). Чтобы возбудить колебания в этом контуре, необходимо либо сообщить обкладкам конденсатора некоторый заряд, либо возбудить в катушке индуктивности ток. Пусть в начальный момент времени конденсатор заряжен до разности потенциалов U₀ (рис.15.1, а); следовательно, он обладает потенциальной энергией .

В этот момент времени ток в катушке I = 0. В идеальном контуре через четверть периода вся энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля (рис., б). В этом случае напряжение между обкладками конденсатора равно нулю: U = 0, а через катушку протекает максимальный ток I ₀ (рис. б). Состояния системы, изображенные на рис., соответствуют последовательным моментам времени Т= 0, Т/4, Т/2, ЗТ/4 и Т.

Гармонические колебания заряда, тока и напряжения в контуре описываются уравнениями: , , .

Частота колебаний контура определятся формулой: , а период – формула Томсона.

Энергия контура: . Подставив выражения для заряда и тока, получим что , . Полная энергия контура определяется по формулам и . Таким образом, .

Ток достигает максимального значения в те моменты времени, когда заряд (напряжение) на обкладках конденсатора равен нулю, и наоборот. Энергии электрического и магнитного полей изменяются со временем, причем, когда энергия электрического поля максимальна, энергия электрического поля обращается в нуль, и наоборот. Полная энергия системы в каждый момент времени остается величиной постоянной. Период колебания энергий электрического и магнитного полей вдвое меньше периода колебания Т системы. Постоянство полной энергии в рассматриваемом случае обусловлено пренебрежением потерями энергии на совершение работы против сил сопротивления. Если R¹0, то колебания в контуре будут затухать. Для восполнения этих потерь необходим источник питания.

Открыв явление электромагнитной индукции, Фарадей показал, что переменное магнитное поле приводит к появлению вихревого электрического поля. Анализируя связь между величинами электрического и магнитного полей и обобщая результаты опытов Эрстеда и Фарадея, Максвелл предположил, что переменное электрическое поле может, в свою очередь, породить переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменные электрические и магнитные поля не могут существовать раздельно друг от друга, так как в пространстве, где существует переменное магнитное поле, возбуждается переменное электрическое поле, и наоборот. Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Электромагнитное поле – один из видов материи, характеризуемый наличием электрического и магнитного полей, связанных непрерывным взаимным превращением.

Распространение в пространстве магнитного и электрического полей, меняющихся во времени, называют электромагнитными волнами. Максвелл математически доказал, что они должны распространяться с конечной скоростью, равной в вакууме =300000 км/с, что совпадало со значением для скорости света. Опыты Г. Герца и изобретение радио А.С. Поповымподтвердили теоретическое предсказание Максвелла. Длина волны электромагнитных волн .

Согласно теории Максвелла, электромагнитные волны излучаются при любом движении с ускорением заряженных частиц, при этом в окружающей среде распространяются колебания напряженности электрического поля и индукции магнитного поля . Направления векторов и при распространении волны перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению, в котором распространяется волна. Электромагнитная волна обладает следующими свойствами: распространяется прямолинейно, способна преломляться, отражаться, ей присущи свойства интерференции, дифракции, интерференции, поляризации. Источникам электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряды или изменяющиеся во времени электрические токи.

ВОПРОСЫ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: