Исследование возможности прохождения электромагнитных волн сквозь различные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Исследование возможности прохождения электромагнитных волн сквозь различные материалы

автор

Чернышев Святослав

Руководитель: Дмитриев Г. В.

Введение

В современном мире огромное количество «гаджетов», без существования которых трудно представить нашу жизнь. И почти все они работают от электричества, а это значит, что в наш век технологий мы живем в мире электромагнитного излучения, источниками которого являются все электроприборы, над изучением электромагнитного излучения и его свойств работает множество ученых. Проводимость различными материалами такого излучения - вопрос, требующий тщательного изучения, в основном эта тема актуальна в сферах, где нужно оградиться от подобного рода излучения, или же, наоборот, в сферах, где нужно создать ситуацию, при которой электромагнитное излучение почти не встретит преград на своем пути.

Цель моей работы заключается в изучении способности проводить электромагнитное излучение различными веществами. В ходе своего исследования я сам разобраться в некоторых терминах, необходимых для моей работы. Исследование проводилось при помощи заранее собранной установки, создающей излучение.

Для достижения, поставленной в работе цели, потребовалось выполнение следующих задач:

Во-первых, тщательное изучение теоретического материала, необходимого для данной работы.

Во-вторых, ознакомление с методикой проведения эксперимента.

Проведение эксперимента.

Анализирование данных, полученных в ходе эксперимента, и на их основе создание таблице проводимости электромагнитного излучения некоторыми веществами.

Для того чтобы понять что такое электромагнитная волна, как она возникает а так же какие свойства она имеет нам следует рассмотреть такие понятия как:

Магнитное поле

А) магнитная индукция

Электромагнитная индукция

ЭДС индукции

А) Правило Ленца

Магнитный поток

Самоиндукция (индуктивность)

1.Магнитное поле

Итак, Магнитным полем называется, особый вид материи, посредством которого возникает взаимодействие между движущимися электрическими зарядами. Иными словами, всякий движущийся заряд создает в окружающем пространстве непрерывное, способное действовать на другие заряды магнитное поле.

Магнитная индукция - векторная величина, введенная для характеристики магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током. При исследовании действия магнитного поля на прямолинейный проводник используют следующую формулу вычисления магнитной индукции: , где - вектор магнитной индукции, - вектор силы Ампера действующий на проводник с током, I - сила тока в проводнике, а l - длина проводника.

2.Электромагнитная индукция

В 1831 году английский учёный Майкл Фарадей обнаружил возникновении электрического тока в катушке находящейся в переменном магнитном поле. Позже этот ток назвали индукционным током. Опыт Фарадея заключается в том, что он вдвигал и выдвигал магнит в катушку, подсоединенную к гальванометру, и в моменты его вдвигания или выдвигания видно отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток), при этом отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита имеют противоположные направления. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При смене в опыте полюсов магнита направление отклонения стрелки также изменится. Для получения индукционного тока можно оставлять магнит неподвижным, тогда нужно относительно магнита перемещать катушку. Так же индукционный ток возникает при изменении силы тока в катушке, магнитное поле которой действует на катушку, в которой и возникает индукционный ток. Явление возникновения электрического тока в неподвижном замкнутом проводящем контуре, при изменении магнитного поля, пронизывающего данный контур, называется электромагнитной индукцией. Однако возникновение электрического тока в цепи не раскрывает физического смысла явлении электромагнитной индукции.

Возникновение в контуре индукционного тока свидетельствует о том что на электроны (свободные частицы) действует сила, однако контур неподвижен, а следовательно, на них может действовать только электрическое поле, следовательно при изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает электрическое поле, которое и приводит в движение электроны. «Электрическое поле, возникшее при изменении магнитного поля, называется вихревым электрическим полем».[1.стр.12] Линии напряженности вихревого электрического поля замкнуты, поэтому его еще называют замкнутым электрическим полем.

3.ЭДС индукции

Существование электромагнитной индукции свидетельствует о возникновении ЭДС индукции. «Количественное описание электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и физической величиной, называемой магнитным потоком» [3.стр.321]. При этом стоит заметить, что ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Ei = ?,

где Ei - ЭДС индукции, возникающая в контуре при равномерном изменении магнитного потока, Ф - изменение Магнитного потока, - время изменения магнитного потока, а n - число таких контуров. Иными словами ЭДС индукции в замкнутом контуре равно модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

По правилу Ленца индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Исходя из этого правила появляется «-» в формуле ЭДС индукции.

4.Магнитный поток

«Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле, магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и на косинус угла между вектором и нормалью к поверхности: Ф = BScosб”. [1.стр.10]

5.Самоиндукция

Для того чтобы понять, что такое явление самоиндукции, нужно понять что такое индуктивность. Итак, из того, что магнитный поток пропорционален индукции магнитного поля внутри контура, а индукция пропорциональна силе тока в проводнике следует то, что Ф = LI, где Ф - магнитный поток, I - сила тока в проводнике, а L - коэффициент пропорциональности, имеющий название индуктивность данного проводника. Индуктивность зависит от формы проводника и магнитных свойств среды.

Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи. Изменение силы тока в проводнике вызывает изменение магнитного потока, что в свою очередь и вызывает ЭДС индукции в катушке. «ЭДС самоиндукции пропорционально индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке»[2. стр.163] Ei = - , Ei = -L, Ei = -Ll'.

История открытия электромагнитных волн

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом. Тщательно изучив и упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии. Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля -- магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах -- тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические -- магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн -- фундаментальный результат, который вызовет прорыв в физике.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886-89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Электромагнитная волна

Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения линий напряжённости электрического и вектора индукции магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Представим себе электрический заряд, колеблющийся или движущийся с ускорением вдоль некоторой прямой, частота его колебаний очень велика, тогда электрическое поле, находящееся в непосредственной близости от заряда, начнет периодически изменяться. Также стоит заметить, что период этих изменения будет равен периоду колебаний данного заряда. Переменное электрическое поле будет порождать переменное магнитное поле, которое в свою очередь будет порождать переменное электрическое поле, но уже набольшем рассеянии от первоначального заряда и т.д. Однако стоит помнить, что изменение магнитного поля происходит только тогда, когда изменяется сила тока в проводнике, а она изменяется в том случае, если электрический заряд внутри поля движется с ускорением. В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей [1.c.67]. Иначе говоря, результатом этого процесса является электромагнитная волна.

Основные свойства электромагнитного поля:

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами.

Наличие ускорения - главное условие излучения электромагнитных волн. 

Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях и твердых средах, но и в вакууме.

Электромагнитная волна является поперечной.

Колебания векторов Е (вектор напряженности электрического поля) и В (вектор индукции магнитного поля) происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны (вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. 

Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми.

 Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с. Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет собой непрерывное поглощение и переизлучение электромагнитной энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости волны, то есть волны распространяются с конечной скоростью.

При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.

Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика (вещества) сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.

Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).

Для электромагнитных волн, так же, как и для механических, справедливы свойства дифракции, интерференции, поляризации и другие.

Итак, теперь я хочу рассказать о практической части моей исследовательской работы, а именно, об изучении способности различных материалов пропускать через себя электромагнитные волны.

Для того чтобы измерить степень прохождения волны через объекты, состоящие из различных материалов, я использовал школьный комплект приборов и принадлежностей для демонстрации свойств электромагнитных волн торговой марки «EDUSTRONG». Для опыта я взял образцы: монолит фторопласта, несколько платин гетинакса и монолит винипласта.

Суть моего эксперимента заключалась в том, что я ставил излучатель электромагнитных волн и приемник друг напротив друга, и вставлял между ними поочередно образцы, при этом с помощью осциллографа, заранее подключенного к приемнику, смотрел, насколько изменялась амплитуда волны.

На схеме: A - излучатель, B - приемник, D - осциллограф, С - образцы, участвующие в эксперименте.

Толщины образцов были таковы:

Толщина монолита фторопласта составляла 20 мм.

Толщина монолита винипласта составляла 10 мм.

Толщина одной пластины гетинакса составляла 5 мм.

Было проведено 2 опыта. С различными исходными значениями системы

Результаты первого опыта приведены в таблице №1

Начальные параметры системы №1:

Излучатель и приемник находятся на расстоянии 50 см друг от друга

Частота волны равна 1 Гц

Сигнал без образцов (напрямую) - 21 В

Таблица №1

Результаты второго опыта приведены в таблице №2

Начальные параметры системы №2:

Излучатель и приемник находятся на расстоянии 45см друг от друга

Частота волны равна 1 Гц

Сигнал без образцов (напрямую) -24 В

Таблица №2

Как видно из таблиц: винипласт обладает хорошей пропускной способностью, а гетинакс, напротив, менее проводим и с увеличением слоя пластин пропускная способность становится все меньше и меньше, при этом видно, что в среднем амплитуда волны на выходе линейно зависит от толщины гетинакса. Одна пластина гетинакса толщиной 5мм в среднем уменьшает амплитуду волны, прошедшей через нее, на 0,5В.

Однако, как также можно заметить из таблиц в нескольких случаях волна, прошедшая через образцы не только не уменьшилась, а напротив, возросла. Так, например, в монолите фторопласта в обоих случаях амплитуда волны, прошедшей через него больше амплитуды первоначальной волы. Подобное также можно увидеть в опытах с несколькими пластинами гетинакса. Я и мой руководитель полагаем, что это из-за явления, возникшем внутри монолита, а именно интерференции.

Интерференция -- физическое явление, заключающаяся во взаимном усилении или, наоборот, ослаблении двух или более волн при взаимодействии друг с другом.

Мы полагаем, что из-за взаимодействия электромагнитной волны, отраженной внутри кристалла, с волной излучателя, эти волны накладываются друг на друга и усиливаются.

Список литературы

электромагнитный волна материал

Г.Я.Мякишев Б.Б.Буховцев «Физика»// школьный учебник для учащихся 11 класса издательство «Просвещение». - 1991 год. с.4 -74.

О.Ф.Кабардин «Физика»// справочные материалы. Учеб. Пособие для учащихся издательство «Просвещение». - 1985год. с. 159 - 169.

Л.Купер «Физика для всех. 1.Классическая физика»// издательство «МИР» 1973 год. с.318 - 343.

И.В. Савельев «Курс общий физики. Том 2й»// издательство «Лань» 2007 год. с. 190 - 226, 372 - 412.

Размещено на Allbest.ru