Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из теории максвелла кратко

Обновлено: 07.07.2024

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу.

Задолго до того, как удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны Максвеллом были предсказаны некоторые их свойства: волны могут распространяться не только в веществе, но и в вакууме; их скорость в вакууме равна скорости света; быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн.

2. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?

В электромагнитной волне меняются вектор индукции магнитного поля В и вектор напряженности электрического поля Е.

3. Какие соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?

4. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы ее можно было зарегистрировать?

При частоте порядка 100 000 колебаний в секунду.

5. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

Электромагнитные волны были впервые получены в 1888 г. немецким ученым Генрихом Герцем.

6. Приведите примеры 2—3 диапазонов электромагнитных волн.

Радиоволны (длина волны от 1 мм), инфракрасное излучение (1мм - 780 нм), видимое (оптическое) излучение (780 - 380 нм), ультрафиолетовое (380 -10 нм), рентгеновское (10 нм - 5 пм) гамма- излучение (менее 5 пм).

7. Приведите примеры применения электромагнитных волн и их воздействия на живые организмы.

Радиоволны используются человеком для теле- и радиовещания. Инфракрасное излучение от Солнца поддерживает жизнь на Земле. Электромагнитное излучение в видимом диапазоне позволяет людям и животным получать информацию об окружающей среде, а растениям осуществлять процесс фотосинтеза. Ультрафиолетовое излучение может оказывать негативное действие на организм человека. Рентгеновское излучение используют в медицине.

Упражнения.

1. На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?

2. Радиосигнал, посланный с Земли на Луну, может отразиться от поверхности Луны и вернуться на Землю. Предложите способ измерения расстояния между Землей и Луной с помощью радиосигнала.
Указание: задача решается таким же методом, каким измеряется глубина моря с помощью эхолокации (см. §34).

3. Можно ли измерить расстояние между Землей и Луной с помощью звуковой или ультразвуковой волны? Ответ обоснуйте.

Нет нельзя. Вакуум неупругая среда и поэтому звуковые волны в нем не распространяются.

1. Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из теории Максвелла?

Быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн.
Электромагнитные волны могут существовать не только в веществе, но и в вакууме.
Электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью с = 300 000 км/с, т. е. со скоростью света..

Что представляет собой электромагнитная волна?

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрических и магнитных полей.

2. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?

В электромагнитной волне векторы индукции магнитного поля (В) и напряженности электрического поля (Е) периодически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеблются.

Модель электромагнитной волны:

За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси Z на расстояние, равное длине волны.
Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, её скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн:

где
λ - длина волны (м),
с - скорость электромагнитной волны (м/с),
Т - период колебаний (с),
v - частота колебаний (Гц).

4. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы ее можно было зарегистрировать?

Для создания интенсивной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на некотором расстоянии от источника, необходимо, чтобы колебания векторов Е и В происходили с достаточно высокой частотой (порядка 100 000 колебаний в секунду и больше).

5. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

В 1888 г. немецкому учёному Генриху Герцу удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны.
В результате опытов Герца были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом.

6. На какие диапазоны подразделяются электромагнитные волны?

Все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и соответственно по частотам) на основные диапазоны:

Границы диапазонов условны, поэтому соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

7. Как электромагнитные волны воздействовуют на живые организмы?

Электромагнитные волны разных частот различаются:
- проникающей способностью,
- скоростью распространения в веществе,
- видимостью,
- цветностью и другими свойствами.

Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на живые организмы.

Инфракрасное (тепловое) излучение поддерживает жизнь, создавая комфортную температуру на Земле.

Видимый свет даёт возможность ориентироваться в пространстве.
Он необходим для фотосинтеза в растениях, в результате чего выделяется кислород.

Ультрафиолетовое излучение в допустимых дозах повышает сопротивляемость организмов к заболеваниям, в частности инфекционным.
Превышение допустимой дозы вызвает ожоги, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета.

Рентгеновское излучение применяется в медицине для выявления заболеваний.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого элеетрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы , и взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные:

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для w_э, w_м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ₀. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I_ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены Петром Николаевичем Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где w_эм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Генриха Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А.С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Генератор высокочастотных колебаний возбуждает в вибраторе вынужденные электромагнитные колебания, что приводит к ускоренному движению электронов и появлению переменного тока. Вокруг вибратора возникает переменное магнитное поле.

Используя новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытого М.Фарадеем в 1831 г., Дж.Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля: Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).

Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов :

1. Существуют электромагнитные волны , то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле .

Электромагнитные волны поперечны – векторы Е и В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Скорость c=300000 км/с распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные “партнеры” единого электромагнитного поля.

Таким образом, электромагнитная волна в приемном диполе возбуждает вынужденные электромагнитные колебания, что приводит к возникновению переменного тока и свечению лампочки.

Электромагнитные волны, распространяясь в пространстве, несут с собой энергию:

W=Wэ+Wм

Плотность потока электромагнитного излучения (интенсивность волны) через поверхность площадью S будет равна:

При наличии точечного источника излучения интенсивность распространяющейся электромагнитной волны по всем направлениям одинакова. Если площадь поверхности сферы:

Известно, что напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорциональны квадрату частоты:

Читайте также: