Электромагнитная волна

18 ВОПРОС)))   А) Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Определение волны.    Волна (волновой процесс) - процесс распространения колебаний всплошной среде. При распростаранении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества (10)*

Смотрите, что произошло. Мы только привели определение волны, дающееся в учебнике, но уже можем отметить ошибочность некоторых основ современного представления о распространении электромагнитных волн.  
      а) фотоны по определению не могут двигаться;  
      б) среда распространения должна быть сплошной. 
Оба пункта в Стандартной модели (изучаемой в школе или институте) нарушаются. И фотоны летят со скоростью света, и сплошной среды не просматривается.   
  2.  Принцип Гюйгенса. Каждая точка среды, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн даёт положение волнового фронта в следующий момент времени.  
        Данный принцип усиливает подозрения в существовании сплошной непрерывной среды.    
  3.  Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью, не зависящей от скорости источника или приёмника излучения и равной c.   
  4.   Амплитуда колебаний всех электромагнитных волн одинакова, волны различаются лишь частотой (длинной волны), фазой, степенью поляризации и скоростью изменения этой поляризации..   

 

   Теперь несколько  рассуждений. Если среда распространения  сплошная, следовательно, её непрерывно  заполняют отдельные частицы. Такие  частицы способны переносить  электрическое поле, поэтому они  должны нести в себе электрические  заряды. Но частицы эти в целом  нейтральны. Естественно предположить, что они являются диполями. Сделаем  предположение.

 

Электромагнитные волны - история открытия и интересные факты.

Нам удалось просто и наглядно описать электромагнитные волны. Их свойства, такие как дифракция, интерференция, когерентность, дисперсия и поляризация подробно описаны показаны с помощью флеш-анимации на следующих страницах. А теперь немного из истории. 
Всё окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце и звёзды, окружающие нас тела и Земля, антенны радиостанций и телефоны испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят различные названия: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, рентгеновские лучи и лучи биополя.

Этот неиссякаемый источник энергии порождают колебания электрических зарядов атомов и молекул. Если заряд колеблется, то он движется с ускорением, а значит, излучает электромагнитные волны. Изменяющееся магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку пространства за другой.

Распространяющееся электромагнитное поле и называют электромагнитной волной.

Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме С = 299 792 458 м/с. К такому выводу приводит теория электромагнитного поля, созданная в 60 годах 19 века Максвеллом, и описанная им в книге «Трактат об электричестве и магнетизме»(1873). 
Лишь в конце 1880-х годов немецкий физик Г.Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн и исследовал некоторые их свойства.

Герц получал электромагнитное излучение с помощью вибратора - пары металлических стержней, разделённых небольшим воздушным пространством, на которые подавалось сильное электрическое напряжение. Электромагнитное излучение направлялось на большой металлический лист. Падающая и отражённая волна складывались, образуя стоячую волну. 
По геометрическим размерам элементов вибратора и по расстоянию между излучающим и передающим вибраторами Герц и определил скорость распространения электромагнитной волны. Получилась величина равная скорости света. Это доказывало электромагнитную природу света.

 

 

Б) Теория Максвелла

Рассмотрим внимательнее, что происходит в цепи переменного тока, содержащей конденсатор. При замыкании цепи по проводнику пойдет ток. Вокруг проводника возникнут силовые линии магнитного ноля. Электрическое поле между пластинками конденсатора будет убывать, так как заряд пластин уменьшается,— процесс, казалось бы, ничего общего не имеющий с током. Но Максвелл сделал смелое предположение о том, что изменяющееся электрическое поле, как и обычный ток, создает вокруг магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями.

Никаких указаний на это со стороны опыта в то время еще не было. Процесс изменения электрического поля в пространстве Максвелл назвал током смещения. Этот ток коренным образом отличается от обычного. Общим для них является только одно: оба они порождают вокруг себя вихревое магнитное поле. Рассматривая переменное электрическое поле в пустом пространстве или в диэлектрике как особого рода ток, мы можем любой электрический ток считать замкнутым.

При разрядке конденсатора обычный ток в проводнике (ток проводимости) дополняется в пространстве между пластинами током смещения. Таким образом, согласно гипотезе Максвелла, переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, а переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Следовательно, переменные электрические и магнитные поля не могут существовать в пространстве независимо.

Возникновение одного из них сразу же вызывает появление другого. Гипотеза о токах смещения позволила Максвеллу в шестидесятых годах прошлого столетия создать стройную теорию электромагнитных явлений, охватывающую всю громадную совокупность известных в то время фактов и предсказывающую новые замечательные явления. Основные положения этой теории, изложенные строгим языком математических формул, освещают взаимосвязь электрических зарядов с электрическими и магнитными полями. Обычным языком их содержание можно передать приблизительно следующим образом.

1. Магнитное поле с  замкнутыми силовыми линиями  порождается либо электрическим  током, либо переменным электрическим  полем.

2. Электрическое поле  с замкнутыми силовыми линиями (т. е. вихревое) порождается переменным  магнитным полем.

3. Силовые линии магнитного  поля всегда замкнуты.

4. Электрическое поле  с незамкнутыми линиями порождается  электрическими зарядами.

Самым поразительным результатом теории Максвелла было то, что из нее автоматически вытекала конечность скорости распространения электрического и магнитного полей. При возникновении, например, электрического заряда электрическое поле первоначально устанавливается только вблизи самого заряда и лишь затем постепенно занимает все пространство. Точно так же при включении тока магнитное поле постепенно распространяется все дальше и дальше от проводника. Правда, скорость распространения поля весьма велика. Теоретически Максвелл показал, что она равна скорости света, т. е. 300 тыс. км/сек.

Возникающее в пространстве переменное электрическое поле порождает вокруг себя переменное магнитное поле. Это поле в свою очередь порождает электрическое поле, и т. д.

В результате в пространстве происходит процесс распространения электрического и магнитного полей. Этот процесс протекает также со скоростью света. Если начальное электрическое поле меняется периодически, то распространяющееся электромагнитное поле тоже но сит периодический характер. Напряженность электрического и магнитного полей периодически изменяется в пространстве и во времени. Так, со скоростью света распространяются электромагнитные волны. Характерно, что напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу и к направлению распространения электромагнитной волны.

Максвелл предсказал существование электромагнитных волн и из равенства скорости их распространения скорости света сделал вывод о том, что световые волны являются электромагнитными по своей природе. Тем самым учение о свете становилось частью учения об электромагнитных явлениях. Максвеллу не суждено было дожить до блестящего подтверждения справедливости всех своих замечательных открытий. Спустя 10 лет после его смерти немецкий физик Герц опытным путем обнаружил существование электромагнитных волн; скорость распространения этих волн оказалась равной скорости света. Тем самым электромагнитная теория света была доказана.

 

 

В) Изобретение радио Поповым

 

 С тех пор как в 1988 г. Генрих Герц опубликовал свои опыты, они заинтересовали ученых-физиков различных стран мира. Ученые старались усовершенствовать приемник и излучатель электромагнитных волн.

В России этим занимался А.С. Попов. Он сначала повторил все опыты Герца, а потом стал работать над усовершенствованием их. Он использовал в своих опытах более чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.

Использование когерера

Для регистрации волн он использовал когерер. Когерер – стеклянная трубка с двумя электродами. Внутри трубки находятся железные опилки. В обычных условиях когерер обладает очень большим сопротивлением. Когда на него поступает волна, то в нем создается электрический ток высокой частоты.

Между опилками проскакивают искры, а его сопротивление резко падет. Сила тока в катушке реле возрастает, и реле включает звонок. Молоточек от звонка бьет по когереру, приводя его в исходное положение. На следующем рисунке представлена схема приемника Попова.

Изобретение радио

Для повышения чувствительности Попов один из выводов когерера заземлил, а второй присоедини к высоко поднятому куску проволоки. Это было первой в мире антенной для беспроводной связи. 

Хотя приемники, которые мы видим сейчас совсем не похожи на этот, они устроены на основе тех же принципов, что и приемник Попова. Все приемники так же имеют антенну, в которой волна вызывает слабые электромагнитные колебания.

Энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Эти сигналы лишь управляют источниками энергии, которые питают другие цепи.

7 мая 1895 г. является днем рождения радио. На заседании Русского физико-химического общества Попов продемонстрировал действие своего прибора. Это был первый в мире радиоприемник. Но Александр Степанович на этом не остановился, и продолжал совершенствовать свой прибор, а так же передатчик.

Сначала дальность радиосвязи составляла всего лишь 250 м. Уже в 1899 году дальность составляла больше 20 км. А в 1901 году дальность радиосвязи составляла уже 150 км.

Основные принципы радиосвязи

В антенне передатчика создается переменный электрический ток высокой частоты. Этот ток вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле. Это поле распространяется в виде электромагнитной волны.

По достижению антенны приемника, эта электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток. Данный ток будет такой же частоты, на которой работает передатчик.