Что является причиной возникновения электромагнитной волны

Возникновение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны возникают всегда, когда в пространстве есть изменяющееся электрическое поле. Такое изменяющееся электрическое поле вызвано, чаще всего, перемещением заряженных частиц, и как частный случай такого перемещения, переменным электрическим током.

1. Первый случай возникновения излучения электромагнитной волны, покажем на примере ускоренного движения электрона. При движении пробного заряда сквозь бионы, последние будут поворачиваться в направлении движения заряда. Если электрон станет двигаться с ускорением, то возникнет излучение электромагнитной волны.

Такая волна вызвана тем, что в определённый момент времени, синхронность поворота бионов нарушается, и один или несколько из них проворачиваются, создавая электромагнитную волну. Причина поворота бионов, во взаимном отталкивании одноименных полюсов.

Для нейтральной частицы, похожим образом можно показать возникновение волн Де Бройля, также имеющих место при движении частиц. Оно вызвано воздействием бионов окружающих частицу и вращающихся гравитационно, на бионы физического вакуума (или бионы, заполняющие пространство между молекулами газов). Картина будет более сложной, чем в случае заряженной частицы.

2. Второй случай возникновения излучения электромагнитных волн связан с движением электронов в атоме. Движение атома вызывает поворот ближайшего к нему биона. Этот бион передаёт энергию вращения, полученную от атома следующим, близь лежащим бионам, то есть возникает электромагнитная волна. (Отметим, что в нашей новой теории строения атомов, они (атомы), вращаются как одно целое (электроны жёстко связаны с ядром), в отличие от классического представления, когда любой из электронов движется вокруг ядра.

Но в этой анимации можно увидеть и другой, очень важный момент. Чтобы начал вращаться второй бион, первый должен изменить своё положение на некоторый угол, и лишь тогда возникнет вращение второго биона, вызванное электрическим отталкиванием одноимённо заряженных. Именно это объясняет конечность скорости света, к подробному объяснению которой, мы ниже и перейдём. Также, здесь просматривается намёк на объяснение значения спина электрона. Но об этом на странице, посвящённой строению атомов.

3. Третий случай возникновения электромагнитной волны реализуется, например, в излучительных антеннах. Такое излучение достигается подачей на острие антенны переменного тока. Электроны в проводнике движутся то вперёд, то назад, то есть с ускорением. А это в свою очередь приводит к излучению электромагнитных волн, свойства которых можно менять, изменяя характеристики подаваемого на антенну электромагнитного колебания.

Заключение:

Всё окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце и звёзды, окружающие нас тела и Земля, антенны радиостанций и телефоны испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят различные названия: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, рентгеновские лучи и лучи биополя.

Этот неиссякаемый источник энергии порождают колебания электрических зарядов атомов и молекул. Если заряд колеблется, то он движется с ускорением, а значит, излучает электромагнитные волны. Изменяющееся магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку пространства за другой.

Распространяющееся электромагнитное поле и называют электромагнитной волной.

Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме С = 299 792 458 м/с. К такому выводу приводит теория электромагнитного поля, созданная в 60 годах 19 века Максвеллом, и описанная им в книге «Трактат об электричестве и магнетизме»(1873).

Лишь в конце 1880-х годов немецкий физик Г.Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн и исследовал некоторые их свойства.

Герц получал электромагнитное излучение с помощью вибратора — пары металлических стержней, разделённых небольшим воздушным пространством, на которые подавалось сильное электрическое напряжение. Электромагнитное излучение направлялось на большой металлический лист. Падающая и отражённая волна складывались, образуя стоячую волну.

По геометрическим размерам элементов вибратора и по расстоянию между излучающим и передающим вибраторами Герц и определил скорость распространения электромагнитной волны. Получилась величина равная скорости света. Это доказывало электромагнитную природу света.

Электромагнитные волны.

вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,
вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.

В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Рисунок 2.7 — Вихревое электрическое поле где,— вектор напряженности электрического поля,— вектор магнитной индукции. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. Возникла идея о едином электромагнитном поле. Рисунок 2.8 — Единое электромагнитное поле. Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле. Электромагнитное поле — это особая форма материи — совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально: — проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды; — распространяется с большой, но конечной скоростью; — существует независимо от нашей воли и желаний. При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле. При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью. Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти). Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов. Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны. Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской. Рисунок 2.9 — Спектр электромагнитных волн Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины. Ра́дио (лат. radio — излучаю, испускаю лучи ← radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве. Радиоволны (от радио. ), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6×10 12 Гц). Радиоволны - это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м). λ=300/f, где f — частота (МГц) Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании — радиоволны. «Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор — устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты — радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10— 11 м. Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода. Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (колебания векторов ). Вблизи заряда электрическое и магнитное поля изменяются со сдвигом фаз p/2. Рисунок 2.10 — Единое электромагнитное поле. На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно. Рисунок 2.11 — Синфазное изменение электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна поперечна. Направление скорости электромагнитной волны совпадает с направлением движения правого винта при повороте ручки буравчика вектора к вектору .Рисунок 2.12 — Электромагнитная волна. Причем в электромагнитной волне выполняется соотношение , где с – скорость света в вакууме. Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн. Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты. Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты. Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887). Закрытый колебательный контур электромагнитных волн не излучает: вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Частота колебаний определяется параметрами колебательного контура: . Рисунок 2.13 — Колебательный контур. Для увеличения частоты необходимо уменьшить L и C, т.е. развернуть катушку до прямого провода и, т.к. , уменьшить площадь пластин и развести их на максимальное расстояние. Отсюда видно, что мы получим, по существу, прямой проводник. Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник. Рисунок 2.14 — Вибратор Герца. Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры. Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3 . 10 8 м/с. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн. Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света. Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн. С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода. Таким образом, можно определить, что радиоволна — это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц. Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние λ = υТ ( 1 ) Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из ( 1 ), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f= 1 / T, то длина волны λ = υ /f . Радиолиния включает в себя следующие основные части: • Передатчик • Приемник • Среда, в которой распространяются радиоволны. Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии. Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).