Енергія електромагнітної хвилі. Густина потоку випромінювання

Можливість виявлення електромагнітних хвиль вказує на те, що їх поширення супроводжується перенесенням енергії електромагнітного поля.

Енергія електромагнітної хвилі є сумою енергій електричного й магнітного полів.

З огляду на особливість електромагнітного поля вводиться поняття густини енергії поля, яка дорівнює енергії поля в одиниці об’єму.

Густиною потоку електромагнітного випромінювання називається відношення електромагнітної енергії, яка проходить за одиницю часу через поверхню, перпендикулярну напрямку поширення хвилі, до добутку площі цієї поверхні на час. Густина потоку вимірюється у ватах, поділених на метр квадратний. Густину потоку випромінювання можна знайти як добуток густини енергії електромагнітної хвилі на швидкість її поширення.

Дипольне випромінювання - випромінювання електромагнітних хвиль диполем, величина якого змінюється з часом.

Нерухомі заряди й заряди, які рухаються рівномірно та прямолінійно, не випромінюють електромагнітних хвиль. Для того, щоб заряд випромінював, потрібно, щоб він рухався з прискоренням.

Математичний опис

Найпростіший випромінювач електромагнітних хвиль - це точковий диполь, величина якого змінюється з часом (). На великій віддалі R від диполя (на віддалі, яка набагато перевищує його розміри) напруженість електричного та магнітного полів матиме вигляд

,^[1]

де θ - це кут між напрямком до спостерігача та напрямком диполя, c - швидкість світла, - напруженість електричного поля, яка направлена перпендикулярно до напрямку розповсюдження хвилі й лежить в площині, утвореній напрямком диполя й напрямком до спостерігача, - напруженість магнітного поля, перпендикулярна до напрямку розповсюдження хвилі й до площини диполя.

Вектор Пойнтінга випроміненої електромагнітної хвилі дорівнює

.

Таким чином, диполь випромінює електромагнітні хвилі не ізотропно, а здебільшого у напрямках перпендикулярних до себе.

Загальна інтенсивність випромінювання

.

Якщо диполь здійснює гармонічні коливання , то усереднений щодо часу потік електромагнітної енергії, випроміненої диполем, дорівнює

.

Інтенсивність випромінювання дуже швидко зростає із частотою.

Дипольне випромінювання молекул

Атоми й молекули в електричному полі електромагнітної хвилі, яка розповсюджується в речовині, набувають наведеного дипольного моменту, який змінюється з часом із частотою електромагнітної хвилі. Як наслідок, вони в свою чергу випромінюють електромагнітні хвилі із тією ж частотою. Це явище лежить у основі розсіювання світла. При великій густині атомів та молекул, випромінені ними хвилі накладаються і взаємно компенсуються у всіх напрямках, окрім напрямку поширення зовнішньої хвилі, що призводить до формування показника заломлення речовини.

Застосування

На дипольному випромінюванні працюють практично всі антени передавачів. Різні форми антен призначені для того, щоб краще сформувати діаграму спрямованості випромінювання.

Розповсюдження і застосування електромагнітних хвиль.

Розповсюдження і застосування електромагнітних хвиль

1.

2. Види хвиль по напряму зміни фізичних величин і по їх природі.

3. Характеристики хвилі: λ - довжина хвилі (найменша відстань між точками простору, в яких хвиля має однакову фазу); ν - частота коливань (швидкість зміни фази процесу); v - кінцева швидкість розповсюдження.

4. Зв'язок між ними.

5. Що таке електромагнітна хвиля? (Це процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі).

6. Загальні риси між механічними і електромагнітними хвилями (переносять енергію і мають кінцеву швидкість).

У електромагнітної хвилі вектор напруженості електричного поля Е і магнітної індукції В змінюються по синусоїдальному закону, взаємно перпендикулярні один одному і напряму розповсюдження хвилі.

Розробляючи теорію електромагнітного поля Д.Максвелл в 60-х роках IXX століття теоретично обгрунтував можливість існування електромагнітних хвиль (на основі складених їм диференційованих рівнянь) і навіть обчислив швидкість їх розповсюдження.

Вона співпала із швидкістю світла v=с=3*10⁸м/с.
Це дало Максвелу підставу зробити висновок: світло - це один з видів електромагнітних хвиль.

Виводи Максвела були визнані далеко не всіма фізиками - сучасниками Максвела. Було потрібно експериментальне підтвердження існування електромагнітних хвиль. Адже теорія без практики - це тільки припущення!

Німецький фізик Г.Герц в 1888 році завдяки експерименту, яки він виконав, блискуче підтвердив теорію Максвела. Але німецький фізик не бачив перспективи їх застосування.

А.С.Попов, російський фізик, зумів знайти їм практичне застосування, тобто дав їм путівку в життя. Можливість практичного застосування електромагнітних хвиль для встановлення зв'язку без проводу він вперше продемонстрував 7 травня 1895 р.

Для отримання електромагнітних хвиль Г. Герц використав простий пристрій, який нині називають вібратором Герца.

Цей пристрій є відкритим коливальним контуром - в ньому створюються коливання заряду високої частоти.

Значення ємності та індуктивності вібратора Герца малі. Тому частота коливань досить велика.
Інтенсивність випромінювання електромагнітної хвилі пропорційна 4-у ступеню частоти.

Пристрій, що здатний випромінювати електромагнітні хвилі, Герц назвавантеною, що в перекладі означає вуса. Низькочастотні коливання (звукові) антена не випромінює.

Експеримент:

Існує багато сучасних технічних пристроїв, які дозволяють отримати електромагнітні хвилі і вивчити їх властивості. Краще використовувати хвилі сантиметрового діапазону (λ=3 см). Кілометрові хвилі випромінюються спеціальним генератором надвисокої частоти (СВЧ).

Генератор за допомогою рупорної антени випромінює електромагнітні хвилі. Електромагнітна хвиля досягаючи приймача перетворяться в електричні коливання і посилюються підсилювачем і подаються на гучномовець. Електромагнітні хвилі випромінюються рупорною антеною в напрямі від рупора. Приймальна антена у вигляді такого ж рупора приймає хвилі, які розповсюджуються уздовж її осі.

Експерименти з дослідження властивостей електромагнітних хвиль:

1. Проходження і поглинання хвиль (картон, стекло, дерево, пластмаса і т.д.);

2. Віддзеркалення від металевої пластинки;

3. Зміна напряму на межі діелектрика (заломлення);

4. Поперечність електромагнітних хвиль, доводиться поляризацією за допомогою металевих стрижнів;

5. Інтерференція.

Властивості електромагнітних хвиль:

1. Відбиваються від… (провідників);

2. Проходять кріз… (діелектрики);

3. Заломлюються на межі... (діелектрика);

4. Інтерферують - ….

5. Є…. (поперечними).

Таким чином, досліди довели існування електромагнітних хвиль і допомогли вивчити їх властивості.

Класифікація електромагнітних хвиль (радіохвиль)- діапазон електромагнітних хвиль з довжиною хвилі м.

Дата добавления: 2014-01-05