Модель излучения электромагнитной волны

3. Излучение электромагнитной волны

3.1 Модель излучения электромагнитной волны.

Плоская электромагнитная волна распространяется от одной плоскости, допустим x=xo, к другой близлежащей. Рассмотрение распространения электромагнитного импульса и синусоидальной электромагнитной волны показывает, что если известно, как изменяется электрическое, или магнитное поле на плоскости x=xo, то предсказание дальнейшего распространения ее не требует знания распределения полей до этой плоскости.

Докажем, что если по бесконечной плоскости будет течь синусоидальный ток, то от плоскости в обе стороны будет распространяться плоская синусоидальная электромагнитная волна.

Доказательство строится на рассмотрении среза, бесконечно близкого к плоскости. Синусоидально изменяющуюся индукцию магнитного поля можем найти из теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.

Затем из закона электромагнитной индукции можем установить, что электрическое поле перпендикулярно магнитному и изменяется синхронно магнитному.

Установленные факты сводятся к тому, что E и B на срезе изменяются точно так же, как в распространяющейся от плоскости электромагнитной волне. Использование сформулированного выше положения о распространении электромагнитной волны завершает доказательство.

Задача 4. При прохождении синусоидальной электромагнитной волны через две точки, расположенные друг за другом в направлении распространения на расстоянии 2 м, фаза колебаний в одной точке отстает от фазы в другой на p/6. Каковы длина этой волны и частота?

Задача 5. По бесконечной плоскости течет переменный синусоидальный ток с частотой n=108 Гц. Какую длину волны имеет излучаемая электромагнитная волна? Чему равно максимальное значение напряженности электрического поля в волне, если амплитуда плотности тока на плоскости равна 10 А/м2?

3.2 Наблюдение генерации электромагнитной волны

Описание опыта. Между двумя изолированными закрепленными стержнями имеется зазор. На стержни подается высокое напряжение, так что между ними проскакивает искра. Другая, точно такая же пара стержней, и так же ориентированная, расположена на некотором отдалении. Стержни второй пары намагничены и соединены в зазоре перемычкой из железных опилок. На них через миниатюрную лампочку подается низкое напряжение (1,5 В). Пока между стержнями первой парой искры нет, лампочка не горит. При проскакивании искры лампочка загорается. Если встряхнуть стержни, то лампочка гаснет. Новая искра восстанавливает проводимость цепи лампочки.

Объяснение опыта. При проскакивании искры происходит разрядка стержней, начиная с концов, примыкающих к искровому промежутку (на рисунке последовательность состояний стержня). При перераспределении заряда по стержням текут токи, создающие вокруг магнитное поле. Процесс происходит очень быстро. Возникает ситуация, напоминающая процесс излучения токовой плоскостью — от стержней распространяется электромагнитная волна.

Так как текущий по стержням ток создает вокруг него магнитное поле, стержни обладают распределенной индуктивностью. Перераспределение заряда придает системе стержней свойство конденсатора — они обладают распределенной емкостью. Таким образом, стержни выступают в роли электрического колебательного контура. Ток совершает затухающие колебания. Соответственно, излучается электромагнитная волна, подобная синусоидальной.

Достигнувшая второй пары стержней электромагнитная волна раскачивает электрические колебания в ней, как в контуре. Напряжение в зазоре между частичками опилок достигает такой величины, что наступает пробой окисной пленки, изолирующей опилки. Опилки спекаются. Проводимость опилочной перемычки увеличивается и цепь лампочки восстанавливается.

В первом радиоприемнике, изобретенном русским физиком А. С.Поповым, для регистрации электромагнитной волны использовалась примерно та же идея увеличения проводимости железных опилок при поглощении антенной электромагнитной волны. Часть приемника Попова, соответствующая промежутку между стержнями, заполненному опилками, называлась когерером. В отличие от описанной выше установки когерер включал не электрическую лампочку, а электромагнит телеграфного устройства. Приемник Попова принимал телеграфные сообщения на языке Морзе. Разрушение контакта в опилках происходило автоматически путем включения электромеханического устройства — резинового молоточка, который ударял по корпусу когерера сразу после замыкания цепи когерером. Понятно, что приемник с когерером может регистрировать только достаточно интенсивную электромагнитную волну, так как напряжение, возникающее между соседними частичками опилок должно быть достаточным для пробоя изолирующей пленочки. В современных приемниках для регистрации электромагнитных волн используется принципиально другая идея, которая будет изучаться нами позднее.

Прекрасным приемником электромагнитных волн из определенного интервала частот являются глаза человека и животных. Электромагнитная волна частоты из интервала 4,0×1014 — 4,8×1014 Гц воспринимается глазом как красный свет, из интервала 5,1×1014 — 5,4×1014 Гц — как желтый, из интервала 5,4×1014 — 6,0×1014 Гц — как зеленый, из интервала 6,2×1014 — 6,7×1014 Гц — как синий свет. Электромагнитные волны с частотами ниже 4,0×1014 Гц и выше 8,0×1014 Гц человеческим глазом не воспринимаются. Восприятие света глазом как приемником зависит от интенсивности принимаемого излучения. При ярком солнечном свете чувствительность глаза значительно понижается, именно поэтому мы днем не можем рассмотреть звезды, которые ночью прекрасно видим. Если глаз выдержать в полной темноте около получаса, то его чувствительность возрастает до уровня, достижимого только специально разработанной сложнейшей научной аппаратурой.

4. Домашнее задание

4.1 Теоретический материал

Проработать теоретический материал занятия по пособию и своему конспекту.

4.2 Решение задач

Задача 1. Звуковое сопровождение телевизионной программы передается с помощью электромагнитной волны с частотой 9МГц. Чему равна длина волны?

Задача 2 [C12.1.4]. Синусоидальные волны с одной поляризацией E1sin[w(t—)+j1] и E2sin[w(t—)+j2] налагаются друг на друга. Чему равна амплитуда напряженности электрического поля результирующей волны?

Задача 3 [C12.1.12]. Вокруг движущегося заряженного тела возникает магнитное поле, а вокруг неподвижного — нет. Поэтому при мгновенной остановке двигавшегося тела магнитное поле станет “лишним”. Оно превращается в электромагнитные волны. Таким образом, процесс излучения электромагнитных волн можно рассматривать как процесс появления “лишних” полей при изменении скорости заряженного тела. Особенно просто этот процесс описывается для случая плоского конденсатора. Если заряженный конденсатор движется со скоростью v параллельно своим пластинам, то индукция магнитного поля в нем связана с напряженностью электрического поля Eст соотношением B=(v/c2)Eст. При мгновенной остановке конденсатора это магнитное поле можно считать суммой двух электромагнитных волн с индукцией (1/2)B, движущихся в противоположных направлениях перпендикулярно пластинам.
Определите напряженность электрического поля в каждой волне.

ЗАНЯТИе 1.1.5

давление электромагнитной волны

1. Обсуждение домашнего задания

1.1 Обсуждение решений домашних задач

1.2 Контрольные вопросы

1.  Электромагнитная волна распространяется в направлении оси +OZ, вектор магнитной индукции колеблется в направлении оси OY. Как колеблется вектор напряженности электрического поля?

2.  Каков смысл волнового числа k?

3.  Какая волна имеет большую частоту: с меньшим или большим k? меньшей или большей длиной волны?

4.  Чему равна длина синусоидальной волны, если в точке A, отстоящей от точки B в направлении распространения волны на 1 м, фаза отстает на p?

5.  Разъясните механизм взаимопревращения электрического и магнитного полей в синусоидальной волне.

2. Отражение электромагнитной волны от ионосферы

2.1 Механизм отражения электромагнитной волны от области, содержащей свободные носители зарядов

Верхние разреженные слои атмосферы Земли находятся под постоянной бомбардировкой заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечного ветра). В результате происходит ионизация молекул. Смесь положительно заряженных ионов и отрицательных электронов — разреженная плазма. В целом плазма нейтральна. Это и есть ионосфера Земли. При прохождении электромагнитной волны сквозь плазму, заряженные частицы под действием электрического поля волны колеблются и создают переменный ток, который сам в свою очередь излучает. Волна, излученная в противоположном направлении к падающей, — отраженная электромагнитная волна.