Электрические колебания и электромагнитные волны

Колебательные изменения в электрической цепи величин заряда, тока или напряжения называют электрическими колебаниями. Переменные электрический ток является одним из видов электрических колебаний.

Электрические колебания высокой частоты получают в большинстве случаев с помощью колебательного контура.

Колебательный контур представляет замкнутую цепь, состоящую из индуктивности L и емкости C .

Период собственных колебаний контура:

а ток в контуре изменяется но закону затухающих колебаний:

При воздействии на колебательный контур переменной ЭДС в контуре устанавливаются вынужденные колебания. Амплитуда вынужденных колебаний тока при постоянных значениях L , C , R зависит от отношения собственной частоты колебаний контура и частоты изменения синусоидальной ЭДС (рис.1).

Согласно закону Био–Савара–Лапласа ток проводимости создает магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым .

Переменный ток проводимости создает переменное магнитное поле. Переменный ток в отличие от постоянного проходит через конденсатор; но этот ток не является током проводимости; он называется током смещении . Ток смещения представляет собой изменяющееся но времени электрическое поле; он создает переменное магнитное поле, как и переменный ток проводимости. Плотность тока смещения:

В каждой точке пространства изменение во времени индукции электрического поля создает переменное вихревое магнитное поле (рис.2а). Векторы B возникающего магнитного ноля лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору D . Математическое уравнение, выражающее эту закономерность, называется первым уравнением Максвелла .

При электромагнитной индукции возникает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое ноле), которое проявляется как ЭДС индукции. В каждой точке пространства изменение во времени вектора индукции магнитного поля создает переменное вихревое электрическое поле (рис.2б). Векторы D возникающего электрического поля лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору B . Математическое уравнение, описывающее эту закономерность, называется вторым уравнением Максвелла .

Совокупность переменных электрических и магнитных полей, которые неразрывно связаны друг с другом, называется электромагнитным полем.

Из уравнений Максвелла следует, что возникшее в какой-либо точке изменение во времени электрического (или магнитного) поля будет перемещаться от одной точки к другой, при этом будут происходить взаимные превращения электрических и магнитных полей.

Электромагнитные волны представляют собой процесс одновременного распространения в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей. Векторы напряженностей электрического и магнитного полей (E и H ) к электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, а вектор v скорости распространения перпендикулярен к плоскости, в которой лежат оба вектора E и H (рис.3), Это справедливо при распространении электромагнитных волн и неограниченном пространстве.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от длины волны и равна

Скорость электромагнитных волн в различных средах меньше скорости в вакууме.

Колебание, как категория физических представлений, является одним из основных понятий физики и определяется, в общем виде, как повторяющийся процесс изменения некой физической величины. Если эти изменения повторяющиеся, то это значит, что имеется некий промежуток времени, через который принимает то же самое значение. Этот промежуток времени называют

А собственно, почему колебания? Да потому, что если зафиксировать значение этой величины скажем в момент Т1, то в момент Тх она примет уже другое значение, скажем, увеличится, а еще через время она опять увеличится. Но увеличение не может быть вечным, ведь для повторяющегося процесса, наступит момент, когда эта физическая величина обязана повторится, т.е. опять примет такое же значение, как и в момент Т1, хотя по шкале времени это уже момент Т2.

Что же изменилось? Время. Прошел один временной отрезок, который будет повторяться, как временное расстояние между одинаковыми значениями физической величины. А что же произошло с физической величиной за этот промежуток времени - период? Да ничего страшного, она просто совершила одно колебание - прошла полный цикл своих изменений - от максимального до минимального значения. Если в процессе изменения от Т1 до Т2 время фиксировалось, то разность Т=Т2-Т1 дает численное выражение периода времени.

Хороший пример колебательного процесса - пружинный маятник. Грузик движется вверх - вниз, процесс повторяется, а значение физической величины, например, высота подъема маятника, колеблется между максимальным и минимальным значением.

Описание процесса колебания включает в себя параметры универсальные для колебаний любой природы. Это могут быть механические, электромагнитные колебания и т.д. При этом всегда важно понимать, что колебательный процесс для своего существования обязательно включает два объекта, каждый из которых может принимать и/или отдавать энергию - вот ту самую механическую или электромагнитную, о которых была речь выше. В каждый момент времени один из объектов отдает энергию, а второй принимает. При этом знергия меняет свою сущность на нечто очень похожее, но не то. Так, энергия маятника, переходит в энергию сжатой пружины, и они периодически меняются в процессе колебания, решая вечный вопрос партнерства - кому кого поднимать-опускать, т.е. отдавать или накапливать энергию.

Электромагнитные колебания уже в названии содержат указание на участников альянса - электрическое и а хранителями этих полей служат хорошо известные конденсатор и индуктивность. Соединенные в электрическую цепь, они представляют собой колебательный контур, в котором перекачка энергии совершается точно так же, как в маятнике - электрическая переходит в магнитное поле индуктивности и обратно.

Если система конденсатор-индуктивность предоставлена самой себе и в ней возникли электромагнитные колебания, то их период определяется параметрами системы, т.е. индуктивностью и емкостью - других нет. Говоря просто, чтобы «перелить» энергию из источника, скажем, конденсатора (а еще есть более точный аналог его названия - «емкость»), в индуктивность, нужно потратить время пропорциональное количеству запасенной энергии, т.е.емкости. Фактически величина этой «емкости» и есть параметр, от которого зависит период колебаний. Больше емкость, больше энергии - дольше длится перекачка энергии, дольше период электромагнитных колебаний.

Какие же физические величины входят в набор, определяющий описание во всех его проявлениях, в том числе и при колебательных процессах? Это составляющие поля: заряд, магнитная индукция, напряжение. Следует заметить, что электромагнитные колебания - это широчайший спектр явлений, которые мы, как правило, редко связываем между собой, хотя это та же самая сущность. И чем же они отличаются? Первое отличие любых колебаний между собой - это их период, сущность которого рассматривалась выше. В технике и науке принято говорить об обратной периоду величине, частоте - количестве колебаний в секунду. Системная единица измерения частоты - герц.

Так вот, вся шкала электромагнитных колебаний - последовательность частот электромагнитных излучений, которые распространяются в пространстве.

Условно выделяют следующие участки:

Радиоволны - спектральная зона от 30 кГц до 3000ГГц;

Инфракрасные лучи - участок более длинноволнового, чем свет, излучения;

Видимый свет;

Ультрафиолетовые лучи - участок более коротковолнового, чем свет излучения;

Рентгеновские лучи;

Гамма-лучи.

Весь приведенный диапазон излучений представляет собой электромагнитные излучения единой природы, но разной частоты. Разбивка на участки носит чисто утилитарный характер, который диктуется удобством технических и научных приложений.

§ 3.5. Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – это периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи.

При колебаниях происходит непрерывный процесс превращения энергии системы из одной формы в другую. В случае колебаний электромагнитного поля обмен может идти только между электрической и магнитной составляющей этого поля. Простейшей системой, где может происходить этот процесс, является колебательный контур. Идеальный колебательный контур (LC-контур) - это электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C .

В отличие от реального колебательного контура, который обладает электрическим сопротивлением R , электрическое сопротивление идеального контура всегда равно нулю. Следовательно, идеальный колебательный контур является упрощенной моделью реального контура.

Рассмотрим процессы, которые возникают в колебательном контуре. Для выведения системы из положения равновесия зарядим конденсатор так, что на его обкладках будет заряд Q m . Из формулы, связывающей заряд конденсатора и напряжение на нём, находим значение максимального напряжения на конденсаторе
. Тока в цепи в этом момент времени нет, т.е.
. Сразу после зарядки конденсатора под действием его электрического поля в цепи появится электрический ток, величина которого будет увеличиваться с течением времени. Конденсатор в это время начнет разряжаться, т.к. электроны, создающие ток, (напоминаю, что за направление тока принято направление движения положительных зарядов) уходят с отрицательной обкладки конденсатора и приходят на положительную. Вместе с зарядом q будет уменьшаться и напряжение u. При увеличении силы тока через катушку возникнет ЭДС самоиндукции, препятствующая изменению (возрастанию) силы тока. Вследствие этого, сила тока в колебательном контуре будет возрастать от нуля до некоторого максимального значения не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, определяемого индуктивностью катушки. Заряд конденсатора q уменьшается и в некоторый момент времени становится равным нулю (q = 0, u = 0), сила тока в катушке достигнет максимального значения I m . Без электрического поля конденсатора (и сопротивления) электроны, создающие ток, продолжают свое движение по инерции. При этом электроны, приходящие на нейтральную обкладку конденсатора, сообщают ей отрицательный заряд, электроны, уходящие с нейтральной обкладки, сообщают ей положительный заряд. На конденсаторе начинает появляться заряд q (и напряжение u ), но противоположного знака, т.е. конденсатор перезаряжается. Теперь новое электрическое поле конденсатора препятствует движению электронов, поэтому сила тока начинает убывать. Опять же это происходит не мгновенно, поскольку теперь ЭДС самоиндукции стремится скомпенсировать уменьшение тока и «поддерживает» его. А значение силы тока I m оказывается максимальным значением силы тока в контуре. Далее сила тока становится равной нулю, а заряд конденсатора достигнет максимального значения Q m (U m ). И снова под действием электрического поля конденсатора в цепи появится электрический ток, но направленный в противоположную сторону, величина которого будет увеличиваться с течением времени. А конденсатор в это время будет разряжаться. И так далее.

Так как заряд на конденсаторе q (и напряжение u ) определяет его энергию электрического поля W e а сила тока в катушке - энергию магнитного поля Wm то вместе с изменениями заряда, напряжения и силы тока, будут изменяться и энергии.

Электромагнитные колебания – это колебания электрического заряда, силы тока, напряжения, связанные с ними колебания напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Свободными называются такие колебания, которые возникают в замкнутой системе вследствие отклонения этой системы от состояния устойчивого равновесия. Применительно к колебательному контуру это означает, что свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре возникают после сообщения энергии системе (зарядки конденсатора или пропускания тока через катушку).

Циклическая частота и период колебаний в колебательном контуре определяются по формулам:
,
.

Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн, т.е. переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, и создал электромагнитную теорию света.

Электромагнитная волна – это распространение в пространстве с течением времени колебаний векторов и.

Если в какой-либо точке пространства возникает быстро меняющееся электрическое поле, то оно в соседних точках вызывает появление переменного магнитного поля, которое, в свою очередь возбуждает появление переменного электрического поля и т.д. Чем быстрее меняется магнитное поле (больше ), тем интенсивнее возникающее электрическое полеЕ и наоборот. Таким образом, необходимым условием образования интенсивных электромагнитных волн является достаточно высокая частота электромагнитных колебаний.

Из уравнений Максвелла следует, что в свободном пространстве, где нет токов и зарядов (j =0, q =0) электромагнитные волны поперечны, т.е. вектор скорости волны перпендикулярен векторами, и векторы
образуют правовинтовую тройку.

М
одель электромагнитной волны показана на рисунке. Это плоская линейно поляризованная волна. Длина волны
, гдеТ – период колебаний, - частота колебаний. В оптике и радиофизике модель электромагнитной волны выражается через векторы
. Из уравнений Максвелла следует
. Это означает, что в бегущей плоской электромагнитной волне колебания векторовипроисходят в одинаковой фазе и в любой момент времени электрическая энергия волны равна магнитной.

Скорость электромагнитной волны в среде
гдеV – скорость электромагнитной волны в данной среде,
,с – скорость электромагнитной волны в вакууме, равная скорости света.

Выведем волновое уравнение.

Как известно из теории колебаний, уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси x
, где
– колеблющаяся величина (в данном случае E или H), v – скорость волны, ω – циклическая частота колебаний.

Таким образом, уравнение волны
Продифференцируем его дважды поt и по x .
,
. Отсюда получаем
. Аналогично можно получить
. В общем случае, когда волна распространяется в произвольном направлении, эти уравнения следует записать в виде:
,
. Выражение
называется оператором Лапласа. Таким образом,

. Эти выражения называются волновыми уравнениями.

В колебательном контуре происходит периодическое превращение электрической энергии конденсатора
в магнитную энергию катушки индуктивности
. Период колебаний
. При этом излучение электромагнитных волн мало, т.к. электрическое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное – внутри соленоида. Чтобы сделать излучение заметным, нужно увеличить расстояние между обкладками конденсатораС и витками катушки L . При этом объем, занимаемый полем, увеличится, L и С – уменьшатся, т.е. частота колебаний возрастет.

Экспериментально электромагнитные волны впервые получил Герц (1888 г.) при помощи изобретенного им вибратора. Попов (1896 г.) изобрел радио, т.е. использовал электромагнитные волны для передачи информации.

Для характеристики энергии, переносимой электромагнитной волной, вводится вектор плотности потока энергии. Он равен энергии, переносимой волной за 1 секунду через единичную площадку, перпендикулярную вектору скорости .
где
– объемная плотность энергии, v – скорость волны.

Объемная плотность энергии
складывается из энергии электрического поля и магнитного поля
.

Учитывая
, можно записать
. Отсюда плотность потока энергии. Поскольку
, получаем
. Это вектор Умова-Пойнтинга.

Шкала электромагнитных волн – это расположение диапазонов электромагнитных волн в зависимости от их длины волны λ и соответствующих свойств.

1) Радиоволны. Длина волны λ от сотен километров до сантиметров. Для генерирования и регистрации служит радиоаппаратура.

2) Микроволновая область λ от 10 см до 0,1 см. Это радиолокационный диапазон или диапазон СВЧ (сверхвысоких частот). Для генерирования и регистрации этих волн существует специальная аппаратура СВЧ.

3) Инфракрасная (ИК) область λ~1мм 800 нм. Источники излучения – нагретые тела. Приемники – тепловые фотоэлементы, термоэлементы, болометры.

4) Видимый свет, воспринимаемый человеческим глазом. λ~0,76 0,4 мкм.

5) Ультрафиолетовая (УФ) область λ~400 10 нм. Источники – газовые разряды. Индикаторы – фотопластинки.

6) Рентгеновское излучение λ~10нм 10 -3 нм. Источники – рентгеновские трубки. Индикаторы – фотопластинки.

7) γ-лучи λ<10пм. Источники – радиоактивные превращения. Индикаторы – специальные счетчики.

Электромагнитные колебания

При электромагнитных колебаниях в колебательной системе происходят периодические изменения физических величин, связанных с изменениями электрического и магнитного полей. Простейшей колебательной системой такого типа является колебательный контур , то есть цепь, содержащая индуктивность и емкость.

Благодаря явлению самоиндукции в такой цепи возникают колебания заряда на обкладках конденсатора, силы тока, напряженностей электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки, энергии этих полей и т.д. При этом математическое описание колебаний оказывается полностью аналогичным рассмотренному выше описанию механических колебаний. Приведем таблицу физических величин, являющихся взаимными аналогами при сравнении двух типов колебаний.

Таким образом, все математические соотношения, приведенные выше, можно перенести на электромагнитные колебания в контуре, заменив все величины на их аналоги. Например, сравним формулы для периодов собственных колебаний:

– маятник,

– контур. (28)

Налицо их полная идентичность.

Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве. В зависимости от физической природы процесса волны делятся на механические (упругие, звуковые, ударные, волны на поверхности жидкости и т. д.) и электромагнитные.

В зависимости от направления колебаний волны бывают продольные и поперечные. В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны, а в поперечной – перпендикулярно этому направлению.

Механические волны распространяются в некоторой среде (твердой, жидкой или газообразной). Электромагнитные волны могут распространяться и в пустоте.

Несмотря на разную природу волн, их математическое описание практически одинаково, подобно тому, как механические и электромагнитные колебания описываются уравнениями одинакового вида.

Механические волны

Приведем основные понятия и характеристики волн.

x – обобщенная координата – любая величина, совершающая колебания при распространении волны (например, смещение точки от положения равновесия).

l – длина волны – наименьшее расстояние между точками, колеблющимися с разностью фаз 2p (расстояние, на которое волна распространяется за один период колебаний):

где u – фазовая скорость волны, T – период колебаний.

Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

Фронт волны – геометрическое место точек, до которых дошли колебания к данному моменту времени (передняя волновая поверхность).

В зависимости от формы волновых поверхностей волны бывают плоские, сферические и т. п.

Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеет вид

x (х, t) = x m cos(wt – kx) , (30)

где – волновое число.

Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении:

где – волновой вектор, направленный по нормали к волновой поверхности.

Уравнением сферической волны будет

, (32)

из чего видно, что амплитуда сферической волны убывает по закону 1/r.

Фазовая скорость волны, т.е. скорость, с которой движутся волновые поверхности, зависит от свойств среды, в которой распространяется волна.

фазовая скорость упругой волны в газе, где g – коэффициент Пуассона, m – молярная масса газа, T – температура, R – универсальная газовая постоянная.

фазовая скорость продольной упругой волны в твердом теле, где E – модуль Юнга,

r – плотность вещества.

фазовая скорость поперечной упругой волны в твердом теле, где G – модуль сдвига.

Волна, распространяясь в пространстве, переносит энергию. Количество энергии, переносимой волной через некоторую поверхность в единицу времени, называется потоком энергии Ф. Для характеристики переноса энергии в разных точках пространства вводится векторная величина, называемая плотностью потока энергии . Она равна потоку энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространению волны, а по направлению совпадает с направлением фазовой скорости волны.

, (36)

где w – объемная плотность энергии волны в данной точке.

Вектор иначе называется вектором Умова.

Среднее по времени значение модуля вектора Умова называется интенсивностью волны I.

I = < j > . (37)

Электромагнитные волны

Электромагнитная волна – процесс распространения в пространстве электромагнитного поля. Как говорилось ранее, математическое описание электромагнитных волн аналогично описанию механических волн, таким образом, необходимые уравнения можно получить, заменив в формулах (30) – (33) x на или , где –напряженности электрического и магнитного полей. Например, уравнения плоской электромагнитной волны выглядят следующим образом:

. (38)

Волна, описываемая уравнениями (38), показана на рис. 5.

Как видно, векторы и образуют с вектором правовинтовую систему. Колебания этих векторов происходят в одинаковой фазе. В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света С = 3×10 8 м/с. В веществе фазовая скорость

где r – коэффициент отражения.

Волновая оптика

Волновая оптика рассматривает круг явлений, связанных с распространением света, которые можно объяснить, представляя свет как электромагнитную волну.

Основное понятие волновой оптики – световая волна . Под световой волной понимают электрическую составляющую электромагнитной волны, длина волны которой в вакууме l 0 лежит в пределах 400 – 700 нм. Такие волны воспринимает человеческий глаз. Уравнение плоской световой волны можно представить в виде

E = Acos(wt – kx + a 0) , (43)

где А – принятое обозначение амплитуды светового вектора Е, a 0 – начальная фаза (фаза при t = 0, x = 0).

В среде с показателем преломления n фазовая скорость световой волны равна u = c/n, а длина волны l = l 0 /n . (44)

Интенсивность световой волны, как следует из (41), определяется средним значением вектора Пойнтинга I = < S >, и можно показать, что

т.е. пропорциональна квадрату амплитуды световой волны.