Електромагнітне поле і електромагнітні хвилі »mozok.click

Чи читали ви в дитинстві казки? Згадайте: «котиться золоте яблучко по срібному блюдечку», і герой казки бачить «гори високі, моря глибокі» і багато іншого, що відбувається за «сімома морями і сім'ю горами». Що вам нагадує це казкове пристрій? Напевно, в тому числі і мобільний Інтернет. Про те, які відкриття у фізиці дозволили винайти таку «казкову» річ, піде мова в цьому параграфі.

Мал. 19.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) - англійський фізик і математик, творець класичної електродинаміки, один із засновників статистичної фізики

Дізнаємося про електромагнітне поле

Нагадаємо: існують два види матерії - речовина і поле. Обидва існують реально, а не являють собою якусь «модель», призначену для пояснення тих чи інших фізичних явищ.

У минулому навчальному році ви дізналися про електричному полі, в цьому році - про магнітне поле. Ви також з'ясували, що змінюється магнітне поле не тільки діє на рухомі заряджені частинки і намагнічені тіла, але і створює електричне поле. До такого висновку прийшов свого часу Майкл Фарадей.

Керуючись принципом симетрії, Джеймс Максвелл (рис. 19.1) висунув підтверджену згодом гіпотезу про те, що не тільки змінюється магнітне поле створює електричне поле, а й змінюється електричне поле створює магнітне. Відповідно до цієї гіпотези електричні і магнітні поля завжди існують разом і немає сенсу розглядати їх як окремі об'єкти. Тобто існує єдине електромагнітне поле, а електричне та магнітне поля - це дві складові (дві форми прояву) електромагнітного поля.

Електромагнітне поле - вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими тілами і частинками і намагніченими тілами.

Хтось може не погодитися з висновком Максвелла, згадавши, що, наприклад, поблизу нерухомого зарядженого тіла існує тільки електричне поле, а поблизу нерухомого постійного магніту - тільки магнітне поле. Але ж рух і спокій залежать від вибору системи відліку!

Уявіть: тримаючи в руках заряджений кульку, ви йдете до свого товариша. Якби людина могла «бачити» електромагнітне поле, в даному випадку ви «бачили» б тільки одну його складову - електричне поле, так як щодо вас заряд нерухомий. У той же час ваш товариш «бачив» б і електричне поле, і магнітне, тому що щодо нього заряд рухається і електричне поле змінюється (див. Рис. 19.2).

Якщо ваш товариш візьме магніт і буде віддалятися від вас (див. Рис. 19.3), хто «виявить» тільки магнітне поле, а хто - і магнітне, і електричне?

Мал. 19.2. В системі відліку, пов'язаної з хлопчиком, виявляється тільки електрична складова електромагнітного поля. В системі відліку, пов'язаної з дівчинкою, виявляються обидві складові - і електрична, і магнітна

Мал. 19.4. Змінний струм - це струм, сила якого періодично змінюється: з часом значення сили струму то збільшується, то зменшується; змінюється і напрямок струму

Таким чином, твердження, що в даній точці існує тільки електричне (або тільки магнітне) поле, не має сенсу, адже не вказана система відліку. Разом з тим ми ніколи не знайдемо систему відліку, щодо якої «зникли» б обидві складові електромагнітного поля, адже електромагнітне поле матеріально.

Створюємо електромагнітні хвилі

Проаналізувавши всі відомі закони електродинаміки, Дж. Максвелл виключно математично отримав фантастичний на той час висновок: в природі повинні існувати електромагнітні хвилі.

Електромагнітна хвиля - це поширення в просторі змінного електромагнітного поля.

Спробуємо уявити, як утворюється і поширюється електромагнітна хвиля. Візьмемо провідник, в якому тече змінний струм (рис. 19.4). Як відомо, поблизу будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле. Магнітне поле, створене змінним струмом, теж є змінним. Відповідно до теорії Максвелла змінне магнітне поле повинно створити електричне поле, яке теж буде змінним. Змінне електричне поле створить змінне магнітне поле і т. Д. Таким чином отримаємо поширення коливань електромагнітного поля - електромагнітну хвилю (рис. 19.5). Частота цієї хвилі дорівнює частоті, з якою змінюється сила струму в провіднику, а провідник зі змінним струмом є джерелом електромагнітної хвилі.

Електромагнітна хвиля, як і механічна (згадайте поширення хвилі від кинутого у воду камінця), може відірватися від свого джерела і почати самостійно поширюватися в просторі. Цікаво, що деякі

Мал. 19.5. Схематичне зображення механізму поширення електромагнітної хвилі

електромагнітні хвилі «подорожують» у Всесвіті майже з початку її існування!

За теорією Максвелла, джерелом електромагнітної хвилі може бути будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням (тобто частка, яка весь час змінює швидкість свого руху або за значенням, або за направленням, або одночасно і за значенням, і по напрямку). Якщо ж частка нерухома або рухається з постійною швидкістю, поблизу цієї частки існує електромагнітне поле, проте електромагнітну хвилю вона не випромінює.

Випромінюванням електромагнітних хвиль супроводжуються і деякі процеси, що відбуваються всередині молекул, атомів, ядер атомів (теорія таких процесів - квантова теорія - була створена в ХХ ст.).

Характеризуємо електромагнітну хвилю

Електромагнітна хвиля, як і механічна, характеризується частотою (ν), довжиною (λ) і швидкістю поширення (v). Так само, як у випадку з механічними хвилями, дані величини пов'язані формулою хвилі:

На відміну від механічних хвиль, для поширення електромагнітних хвиль середовище не потрібна. Навпаки, краще і швидше за все електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Дж. Максвелл теоретично обчислив швидкість поширення електромагнітної хвилі в вакуумі і з подивом виявив, що отримане значення збігається зі значенням швидкості світла у вакуумі (на той час воно вже було виміряно експериментально):

Дж. Максвелл висунув правильне і сміливе на той час припущення: світло є різновидом електромагнітних хвиль (рис. 19.6). Учений не тільки встановив природу світла, а й передбачив існування і властивості різних видів електромагнітних хвиль.

У вакуумі - і тільки в ньому - все електромагнітні хвилі поширюються з однаковою швидкістю (с), тому для вакууму довжина і частота електромагнітної хвилі пов'язані формулою:

Мал. 19.7. Генріх Рудольф Герц (1857-1894) - німецький фізик, один із засновників електродинаміки

Мал. 19.6. Світло - це електромагнітні хвилі. Частота цих хвиль змінюється приблизно від 4 · 1014 Гц (червоний колір) до 7,5 · 1014 Гц (фіолетовий колір)

При переході з одного середовища в іншу швидкість поширення електромагнітної хвилі змінюється, змінюється і довжина хвилі, а ось частота залишається незмінною. У повітрі швидкість поширення електромагнітних хвиль майже така ж, як у вакуумі.

Теорія електромагнітного поля Максвелла була підтверджена експериментально через 15 років після створення: Генріх Герц (рис. 19.7) продемонстрував випромінювання і прийом електромагнітних хвиль. Отримавши електромагнітні хвилі, Г. Герц вивчив їх властивості. Він, зокрема, встановив, що електромагнітні хвилі:

• відбиваються від провідних предметів (кут відбиття дорівнює куту падіння);

• переломлюються на кордоні з діелектриком;

• частково поглинаються речовиною і частково розсіюються ім.

Всі ці явища обумовлені дією електромагнітного поля на заряджені частинки в речовині. Так, якщо електромагнітна хвиля падає на поверхню металу, то на вільні електрони діє змінне електричне поле (електрична складова електромагнітної хвилі). В результаті в поверхневому шарі металу виникають змінні електричні струми, які і випромінюють відображену електромагнітну хвилю.

підводимо підсумки

Взаємодія заряджених тіл і частинок здійснюється за допомогою електромагнітного поля. Електромагнітне поле має дві складові (дві форми прояву) - електричну (електричне поле) і магнітну (магнітне поле): змінюється магнітне поле створює електричне поле, а змінюється електричне поле створює магнітне поле.

Поширення в просторі змінного електромагнітного поля називають електромагнітною хвилею. Швидкість поширення хвилі, її довжина і частота зв'язані формулою хвилі: v = λν. Краще і швидше за все електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі однакова для будь-яких електромагнітних хвиль і дорівнює швидкості світла: c = 3 · 108 м / с. Світло теж є електромагнітної хвилею. Для вакууму формула хвилі має вигляд: c = λν.

Контрольні питання

1. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла? 2. Дайте визначення електромагнітного поля, назвіть його складові. 3. Наведіть приклади підтверджують відносність електричного і магнітного полів. 4. Як утворюється електромагнітна хвиля? Які об'єкти можуть її випромінювати? 5. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю? Як вони пов'язані? 6. Які властивості електромагнітних хвиль встановив Г. Герц?

Вправа № 19

1. Виберіть правильні відповіді із запропонованих.

Електромагніт підйомного крана працює від постійного струму. Визначте:

1) коли електромагніт створює для оператора крана і електричне, і магнітне поля;

2) коли електромагніт випромінює електромагнітні хвилі.

а) в момент замикання ланцюга; б) в момент розмикання ланцюга; в) коли електромагніт, рухаючись рівномірно, переносить вантаж; г) коли нерухомий електромагніт тримає вантаж.

2. Доповніть таблицю, вважаючи, що хвилі поширюються в повітрі.

3. За даними рис. 19.6 визначте довжини електромагнітних хвиль для фіолетового і червоного світла. Розгляньте два випадки: світло поширюється а) в вакуумі; б) в склі (показник заломлення скла для червоного світла дорівнює 1,64, для фіолетового світла - 1,67).

4. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про винахід радіо. Зробіть коротке повідомлення.

5. Човен хитається у відкритому морі. Хвилі поширюються зі швидкістю 12 м / с; довжина хвилі - 24 м. Яка частота ударів хвиль об корпус човна? Яке час між ударами?

Це матеріал підручника Фізика 9 клас Бар'яхтар, Довгий