Волновое движение. Звук и его характеристики. Ультразвук. Переменное электромагнитное поле. Шкала электромагнитных волн, страница 19

3 Излучение электромагнитных волн. Если мы к концам линии  вместо лампочки присоединим два отогнутых под прямым углом прямолинейных отрезка проволоки длиной по четверти длины волны (рис. 21). Эти два отрезка проволоки, образующие так называемый полуволновой вибратор_, представляют собой колебательную систему, в которой приходящая электромагнитная волна возбуждает вынужденные электрические колебания. В результате этого вокруг проводников образуется переменное электромагнитное поле. На рисунках 21, а с помощью линий напряженности и индукции показана структура этого поля для двух моментов времени.

 Зная направление векторов напряженности и индукции можно определить направление распространения энергии волны в точках А и D. Вектор скорости распространения волны в обеих этих точках направлен от проводников вибратора. Это даёт основание предположить, что вибратор должен излучать электромагнитную, волну. Впервые к такому выводу пришел в 1860 году великий английский физик Джеймс Кларк Максвелл. На опыте излучение и распространение электромагнитных волн обнаружил немецкий физик Генрих Герц в 1888 году.

Для проверки полученного вывода соберем установку, состоящую из генератора, высокой частоты, линии пере­дачи и  полуволнового вибратора. На расстоянии 1-2 метра от вибратора поставим такой же вибратор, но в промежуток между его двумя отрезками проволоки включим маломощную лампочку от карманного фонаря. Включив генератор, мы увидим, что лампочка светится. Опыт подтверждает, что полуволновой вибратор излучает электромагнитное поле в пространство и такой же вибратор принимает электромагнитные волны. Первый из них называют передающей антенной, а второй - приемной антенной. Как уже было сказано, полуволновой вибратор представляет собой колебательную систему, подобную колебательному контуру. Собственная частота такой колебательной системы зависит от длины вибратора   следующим образом:

Где с - скорость распространения электромагнитных волн.

Где - частота колебаний вырабатываемых генератором. Понятно, что в передающем вибраторе наступает резонанс и возникающее в нем вынужденные колебания тока имеют наибольшую амплитуду. Этим обеспечивается наибольшая интенсивность излучения электромагнитных волн.

В приемном вибраторе также возникают вынужденны­е колебания под действием полей электромагнитной волны. Если длина приемного вибратора равна , то в нем имеет место резонанс амплитуда возникающих в нем вынужденных колебаний силы тока будет наибольшей. Именно поэтому мы в, описанном опыте можем наблюдать яркое свечение лампочки, включенной между проводниками приемного вибратора.

На большом расстоянии от излучающего вибратора (при )

электрическое и магнитное поля электромагнитной волны в любой точке совпадают по фазе. Чем дальше от излу­чающего вибратора находится точка, тем больше колебания напряженности электрического поля  и индукции магнитного поля отстают по фазе от электрических колебаний в вибраторе. Значения величин и  в любой точке пространства вдали от вибратора выражаются следующими формулами:

Расчёты показали, что мощность излучения антенны пропорциональна четвертой степени частоты колебаний (P).

 Поэтому для получения сильных электромагнитных волн ис­пользуют колебания высокой частоты.

В наших последующих экспериментах мы будем исполь­зовать генераторы ультравысокой (длина волны меньше мет­ра, а частота более 300 МГц) и  сверхвысокой (длина волны 3 см, а частота 10 000 МГц) частоты.

4 Энергия электромагнитной волны. Свечение лампочки включенной в разрыв приемной антенны, в поставленном нами опыте свидетельствует о том, что электромагнитные волны переносят энергию.

Энергию электромагнитной волны можно рассматривать как сумму энергии электрического и магнитного полей:

В 1831 году английский физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Основываясь на представлениях Фарадея и развивая их, английский физик Д. Максвелл в 1873 году опубликовал свою работу о волновом характере распространения электромагнитных колебаний. Максвелл пришел к выводу, что металлический про­водник, по которому течет пере­менный ток, должен излучать в пространство электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света.