Электромагнитные волны
Образование свободной электромагнитной волны. Экспериментальное исследование электромагнитных волн, наблюдение их отражения, преломления и поляризации. Энергия электромагнитной волны, вектор Умова - Пойнтинга. Определение давления электромагнитных волн.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.04.2019 |
| Размер файла | 56,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лекция
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
План
1. Образование свободной электромагнитной волны
2.Экспериментальное исследование электромагнитных волн
3. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга
1. Образование свободной электромагнитной волны
Предположим, что в некоторой точке О бесконечной непроводящей среды возникает электрическое поле . Так как в среде, электрических зарядов поддерживающих это поле нет, то оно будет исчезать. Но убывающее поле , согласно теории Максвелла, вызывает появление магнитного поля . Но в среде нет постоянных токов, поддерживающих это поле, и оно будет исчезать, и вызывать появление электрического поля . Электрическое поле уничтожит поле в точке О, но проявится в соседней точке 1. Исчезая в точке 1 электрическое поле , вызовет появление магнитного поля , которое будет направлено, так же как и поле . Поэтому оно уничтожит поле в точке 1, но проявится в более удаленной точке 2. Исчезая, оно вызовет появление поля , которое уничтожит поле в точке 2, но проявится в более удаленной точке 3 и т.д. Таким образом, вместо первоначального поля мы получили взаимосвязанные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве, т.е. электромагнитную волну. При этом вектора взаимно перпендикулярны и перпендикулярны скорости распространения волны . Векторы образуют право винтовую систему (рис. 1).
Докажем теперь, что вектора удовлетворяют волновому уравнению вида
. 10.1
Так в рассматриваемом случае векторы зависят только от одной координаты и времени, то уравнения Максвелла можно записать в виде:
. 10.2
Исключим из уравнений 10.2 напряженность магнитного поля . Для этого умножим первое уравнение на и продифференцируем его один раз по времени и получим:
. 10.3
Второе уравнение продифференцируем один раз по координате «х»:
электромагнитная волна
. 10.4
Из равенства правых частей уравнений 10.3 и 10.4 следует, что
. 10.5
Точно такое же уравнение можно получить и для вектора , если из уравнений 10.2 исключить напряженность электрического поля . Но уравнение 10.5 есть волновое уравнение вида 10.1. Отсюда следует, что электрическое и магнитное поле распространяются в пространстве в виде электромагнитной волны. Скорость распространения волны в вакууме
,
а в среде
. 10.6
Можно показать, что в распространяющейся электромагнитной волне векторы пропорциональны друг другу, т.е.
. 10.7
Из уравнения 10.7 следует, векторы одновременно достигают максимума и одновременно обращаются в нуль, т.е. колеблются в одинаковой фазе (рис. 2).
2.Экспериментальное исследование электромагнитных волн
Свободные электромагнитные волны были впервые получены на опыте Герцем в 1888 году.
Колебательный контур состоящий из индуктивности L и конденсатора С, не годится для получения электромагнитных волн, так как электрическое поле сосредоточено между пластинами конденсатора, а магнитное поле - внутри катушки. В пространстве, окружающем конденсатор и катушку полей практически нет, поэтому заметного излучения электромагнитных волн не происходит. Чтобы излучение играло заметную роль, нужно сделать области, в которых возникают поля, менее обособленными от окружающего пространства. Этого можно достигнуть, увеличивая расстояние между обкладками конденсатора и витками катушки. В пределе мы приходим к вибратору Герца, представляющим собой прямолинейный проводник, разделенный искровым промежутком (рис. 3).
Для возбуждения колебаний вибратор Герца подключается к индуктору (источнику высокого напряжения). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробойного значения, возникала искра, которая и замыкала цепь. В результате возникали свободные колебания, которые продолжались до тех пор, пока искра не гасла.
Для приема электромагнитных волн Герц использовал второй такой же вибратор, т.е. электрический резонанс.
На опытах Герц наблюдал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн и определил скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.
3. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга
Возможность экспериментального обнаружения электромагнитных волн указывает на то, что эти волны переносят энергию. Ранее мы показали, что перенос энергии волной можно характеризовать вектором плотности потока энергии. Он определяется количеством энергии, переносимой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению, в котором переносится энергия. Плотность потока энергии определяется произведением объемной плотности энергии волны на скорость распространения волны.
Объемная плотность энергии в электромагнитной волне определяется как сумма объемной плотности энергии электрического и магнитного полей:
. 10.8
Учитывая выражение 10.7, получим, что объемная плотность энергии электромагнитной волны
. 10.9
Умножив 10.9, на скорость распространения электромагнитной волны получим, что плотность потока энергии электромагнитной волны
. 10.10
Так как векторы взаимно перпендикулярны и образуют с направление скорости правовинтовую систему, то направление вектора совпадает с направлением скорости электромагнитной волны. Следовательно, вектор плотности потока энергии электромагнитной волны .
Вектор называется вектором Умова - Пойнтинга.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны, падающие на некоторую поверхность, должны оказывать на нее давление. В 1900 году П.Н. Лебедев на опыте доказал существование этого давления на твердые тела, а в 1910 году и на газы.
Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному излучению присущ определенный импульс, определяемый выражением
,
где W - энергия электромагнитной волны.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга, свойства. Импульс, давление электромагнитного поля. Излучение света возбужденным атомом. Задача на определение тангенциальной силы, действующей на единицу поверхности зеркала со стороны падающего излучения.
контрольная работа [116,0 K], добавлен 20.03.2016Линейная, круговая и эллиптическая поляризация плоских электромагнитных волн. Отражение и преломление волны на плоской поверхности. Нормальное падение плоской волны на границу раздела диэлектрик-проводник. Глубина проникновения электромагнитной волны.
презентация [1,1 M], добавлен 29.10.2013Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Исследования Р. Герца. Скорость распространения электромагнитных волн. Открытие фотоэлектрического эффекта. Расчет давления света. Энергия, импульс и масса ЭМП. Вектор Умова-Пойнтинга.
презентация [2,7 M], добавлен 14.03.2016Экспериментальное получение электромагнитных волн. Плоская электромагнитная волна. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Получение модуля вектора плотности потока энергии. Вычисление давления электромагнитных волн и уяснение его происхождения.
реферат [28,2 K], добавлен 08.04.2013Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.
реферат [578,5 K], добавлен 10.07.2011Излучение электрического диполя. Скорость для электромагнитной волны в вакууме. Структура электромагнитной волны, распространяющейся в однородной нейтральной непроводящей среде при отсутствии токов и свободных зарядов. Объемная плотность энергии.
презентация [143,8 K], добавлен 18.04.2013Эволюция электромагнитных волн в расширяющейся Вселенной. Параметры поляризационной сферы Пуанкаре. Электромагнитное излучение поля с LV нарушением, принимаемое от оптического послесвечения GRB. Вектор Стокса электромагнитной волны с LV нарушением.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.08.2015Основные методы, способы задания и описания состояния поляризации излучения. Граничные условия для естественно гиротропных сред. Формулы связи между амплитудами падающей, отражённой и преломлённой волн. Решение задач о падении электромагнитной волны.
курсовая работа [231,9 K], добавлен 13.04.2014Определение напряженности магнитного поля элементарного вибратора в ближней зоне. Уравнения бегущих волн. Их длина и скорость их распространения в дальней зоне. Направления вектора Пойнтинга. Мощность и сопротивление излучения электромагнитных волн.
презентация [223,8 K], добавлен 13.08.2013Монохроматическая электромагнитная волна, напряженность электрического поля которой меняется по физическому закону. Рассеяние линейно поляризованной волны гармоническим осциллятором. Уравнение движения заряженной частицы в поле электромагнитной волны.
контрольная работа [111,7 K], добавлен 14.09.2015Понятие и общие характеристики плоской волны, их разновидности, отличительные признаки и свойства. Сущность гармонической волны. Уравнения однородной линейно поляризованной плоской монохроматической электромагнитной волны. Определение фазовой скорости.
презентация [276,6 K], добавлен 13.08.2013Интерференция и дифракция волн на поверхности жидкости. Интерференция двух линейных волн, круговой волны в жидкости с её отражением от стенки. Отражение ударных волн. Электромагнитные и акустические волны. Дифракция круговой волны на узкой щели.
реферат [305,0 K], добавлен 17.02.2009Движение электромагнитных волн в веществе. Отражение и преломление плоской однородной волны на плоской поверхности раздела двух сред и двух идеальных диэлектриков. Формулы Френеля, связь между амплитудами падающей, отраженной и преломленной волн.
курсовая работа [770,0 K], добавлен 05.01.2017История открытия электричества. Заряды как основа электрического поля, создание магнитного поля через их движение по проводнику. Характеристика величины электрического поля. Длина электромагнитной волны. Международная классификация электромагнитных волн.
реферат [173,9 K], добавлен 30.08.2012Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Отражение и преломление света диэлектриками. Принцип Гюйгенса - Френеля. Рефракция света. Графическое сложение амплитуд вторичных волн. Дифракция плоской световой волны и сферической световой волны.
реферат [168,2 K], добавлен 25.11.2008Рассмотрение шкалы электромагнитных волн. Закон прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения и преломления света. Понятие и свойства линзы, определение оптической силы. Особенности построения изображения в линзах.
презентация [1,2 M], добавлен 28.07.2015Характеристика длинных линий, соизмеримых с длиной электромагнитной волны; распределение их индуктивности, емкости, активного сопротивления. Установившийся гармонический режим однородной линии. Бегущие волны; свойства падающей и отраженной волн тока.
презентация [234,0 K], добавлен 28.10.2013Распространение волн в упругой среде. Уравнение плоской и сферической волны. Принцип суперпозиции, разложение Фурье и эффект Доплера. Наложение встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Зависимость длины волны от относительной скорости движения.
презентация [2,5 M], добавлен 14.03.2016Дифференциальные уравнения Максвелла для однородной нейтральной непроводящей среды. Описание волновых процессов волновым уравнением. Структура, энергия, мгновенная картина электромагнитной волны, её интенсивность и импульс. Понятие электрического диполя.
презентация [143,8 K], добавлен 24.09.2013Сущность и свойства электромагнитных волн, особенности их распространения и деление по частотным диапазонам. Условия возникновения радиоволн. Характеристика инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Содержание метода зон Френеля.
презентация [328,4 K], добавлен 05.02.2012
