Гипотеза максвелла о электромагнитных волнах

Различные виды механических волн, как поперечных, так и продольных, объединяет одно общее свойство: они могут распространяться только в непрерывной среде, только в твердых телах, жидкостях или газах. В вакууме, т. е. в пустоте, механические волны распространяться не могут.

Английский физик Джеймс Максвелл (1831—1879) на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству и магнетизму в 1864 г. высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волиы Максвелл назвал электромагнитными волнами.

Для выдвижения гипотезы о возможности возникновения электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. В 1831 г. Фарадей установил, что любое изменение магнитного потока в контуре вызывает появление в нем индукционного тока. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предположил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое магнитное поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 238).

Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна. Связь направлений векторов напряженности

электрического поля и индукции магнитного поля при возрастании напряженности и индукции представлена на рисунке 239, а и б. При убывании напряженности и индукции соответствующие векторы имеют противоположное направление.

Электрическое и магнитное поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитной волны в вакууме.

Условие возникновения электромагнитных волн.

Изменения магнитного поля происходят при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике изменяется при изменении скорости движения электрических зарядов в нем, т. е. при движении зарядов с ускорением. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электрических зарядов.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть равной примерно 300 000 км/с.

Открытие электромагнитных волн.

Электромагнитные волны были впервые экспериментально обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем (1857—1894) в 1887 г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд. В результате шары перезаряжались, между ними вновь проскакивала искра и т. д. — процесс повторялся многократно, т. е. возникали электрические колебания.

Стержни с шарами на концах обладают определенной индуктивностью и электроемкостью и представляют собой электрический колебательный контур. Поместив на некотором расстоянии от этого контура контур из проволоки с двумя шарами на концах, Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами колебательного контура возникает искра и между шарами на концах витка провода (рис. 240). Следовательно, при электрических колебаниях в открытом контуре в пространстве вокруг него образуется вихревое электрическое поле. Это поле создает электрический ток во вторичном контуре.

При постепенном удалении вторичного контура от первичного искры между шарами возникали только при расположении контура в определенных местах

пространства, разделенных одинаковыми расстояниями. Этот факт Герц объяснил явлением интерференции излученных электромагнитных волн с электромагнитными волнами, отраженными от стены комнаты.

Искры во вторичном контуре наблюдались в тех местах комнаты, в которые первичная и отраженная электромагнитные волны приходили в одинаковой фазе и амплитуда колебаний напряженности вихревого электрического поля была максимальной. Расстояние между двумя соседними интерференционными максимумами равно половине длины волны.

Читайте также:  Изоляция запорной арматуры трубопроводов

По известной частоте электромагнитных колебаний в контуре и измеренному значению длины К электромагнитной волны Герц определил скорость распространения электромагнитной волны:

Она оказалась равной примерно 300 000 км/с, как и предсказывал Максвелл. Таким образом опыты Герца явились экспериментальным подтверждением гипотезы Максвелла о существовании электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн во многом сходны со свойствами механических волн. На границе раздела двух сред электромагнитные волны частично отражаются, частично проходят во вторую среду. От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, от поверхности металла отражаются почти без потерь (рис. 241).

Закон отражения совпадает с законом отражения механических волн, т. е. угол отражения равен углу падения; падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плос-. кости. На границе раздела двух сред происходит преломление электромагнитных волн. Закон преломления: отношение синуса угла падения а к синусу угла преломления является величиной постоянной для двух данных сред. Это отношение равно отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости во второй среде:

У края преграды или при прохождении электромагнитных волн через отверстие наблюдается явление дифракции волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного (рис. 242).

Когда электромагнитные волны от двух когерентных

источников встречаются в одной точке, то наблюдается явление интерференции.

Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что при параллельной ориентации металлических стержней в Двух решетках электромагнитные волны проходят через них (рис. 243), а при взаимно перпендикулярной ориентации стержней волны не проходят. Это доказывает, что электромагнитные волны являются поперечными волнами.

При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 244).

Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемДарья Големова

Похожие презентации

Презентация на тему: " Электромагнитные волны. Гипотеза Максвелла Английский физик Джеймс Максвелл (1831 – 1879) на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству." — Транскрипт:

2 Гипотеза Максвелла Английский физик Джеймс Максвелл (1831 – 1879) на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству и магнетизму в 1864 г. высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.

3 Открытие электромагнитных волн Электромагнитные волны впервые экспериментально обнаружил Генрих Герц (1857 – 1894) в 1887г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил разряд. В результате шары перезаряжались, между ними вновь проскакивала искра. Процесс повторялся многократно, и возникали электрические колебания.

4 Электромагнитная волна – это система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитных полей. Так как и электрические и магнитные поля могут существовать в вакууме, должно быть возможно распространение электромагнитных волн в вакууме.

5 Основные характеристики электромагнитных волн. Напряжение электрического поля Колебания электромагнитных волн Длина волны Скорость волны Период волны Частота колебаний

6 Скорость распространения электромагнитных волн. По известной частоте электромагнитных колебаний в контуре и измеренному значению длины электромагнитной волны Герц определил скорость распространения электромагнитной волны: она равна произведению частоты колебаний на длину волны. До этого Максвелл рассчитал что скорость распространения волны в вакууме должна быть равной примерно км/с. Число, полученное Герцем, оказалось примерно равным км/с, как и предсказывал Максвелл. Таким образом, опыты Герца явились экспериментальным подтверждением гипотезы Максвелла о существовании электромагнитных волн.

Читайте также:  Как романтично провести вечер

7 Для электромагнитных волн, как и для механических, справедливы соотношения между длиной волны λ, её скоростью с, периодом Т и частотой v колебаний: λ = с Т = – с v

8 Свойства электромагнитных волн Свойства электромагнитных волн во многом сходны со свойствами механических волн. На границе раздела двух сред электромагнитные волны частично отражаются, частично проходят во вторую среду. От поверхности диэлектрика волны отражаются слабо, от поверхности металлов отражаются почти без потерь.

9 Диапазоны волн Все электромагнитные волны разделены по частотам и длинам волн на шесть основных диапазонов.

10 Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого элеетрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы , и взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε и μ – электрическая и магнитная постоянные:

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: wэ = wм.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:

Читайте также:  Выбор телефона с лучшей камерой

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены Петром Николаевичем Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где wэм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Генриха Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А.С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector