Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали. Вопросы на закрепление
Электромагнитное поле - это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся (в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся.
Электромагнитное поле существует в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
ПОПРОБУЙ РЕШИ
Кусок янтаря потёрли о ткань, и он зарядился статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря? Вокруг движущегося?
Заряженное тело покоится относительно поверхности земли. Автомобиль равномерно и прямолинейно движется относительно поверхности земли. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с автомобилем?
Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?
В кинескопе создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Электромагнитные волы - это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды
Свойства электромагнитных волн:
-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света (С = 300 000 км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).
Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят разные названия.
Радиоволны-это электромагнитные волны (c длиной волны от более чем 10000м до 0,005м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов.
В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Радиоволны различной длины распространяются по-разному.
Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей чем 0,005м, но большей чем 770 нм, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением (ИК).
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
К видимому свету относят излучения с длинной волны примерно от 770нм до 380нм, от красного до фиолетового света. Значения этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни Земле.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиннной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением (УФ).. Ультрафиолетовые излучение способно убивать белезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют а медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются оразрядные лампы. Трубки таких ламп изготовляют из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи (Ри) невидимы азом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку. Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои веществ используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека.
Связь между электричеством и магнетизмом не исчерпывается похожестью ряда соотношений. В сущности, оба эти поля суть разные проявления единого электромагнитного поля . В курсе механики мы говорили о принципе относительности, о том, что все законы природы должны быть инвариантными при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Однако электрическое и магнитное поля сами по себе, по отдельности, явно не удовлетворяют этому принципу. Действительно, находясь в инерциальной системе отсчета К , возьмем заряд q , движущийся прямолинейно и равномерно со скоростью v . Он создает кулоновское электрическое поле и, помимо этого, магнитное поле, вектор индукции которого дается выражением (6.2). Свяжем с зарядом систему отсчета К ", которая также будет инерциальной. В этой системе отсчета заряд покоится, и создаваемое им поле будет чисто электростатическим. Выходит, электрическое и магнитное поля не имеют абсолютного характера. При переходе к другой системе отсчета они должны преобразовываться друг через друга (рис. 6.33).
Рис. 6.33. Заряд покоится в движущейся системе отсчета
Вспомним преобразования Лоренца для пространственных координат и времени
|
|
Не забудем, что аналогичные преобразования связывают импульс и энергию частицы в разных системах отсчета
|
|
Станем ли мы теперь удивляться, что электрическое и магнитное поля в разных системах отсчета также связаны преобразованиями Лоренца
|
|
Напомним, что величины со штрихом относятся к системе отсчета К ", которая движется относительно системы К вдоль оси х со скоростью V .
Из преобразований Лоренца следует, что электрическое поле движущегося заряда вытягивается в направлении перпендикулярном скорости (рис. 6.34).
Рис. 6.34. Электрическое поле движущегося заряда
Заметим, что формулы преобразований Лоренца для электромагнитного поля отличаются от преобразований для пространства-времени или энергии-импульса тем, что не преобразуются компоненты полей вдоль линии движения системы отсчета К " (то есть вдоль оси 0х ). Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим лабораторную систему отсчета К , в которой имеется электрическое поле Е , но нет магнитного (В = 0). В каком случае наблюдатель движущейся системы отсчета К " тоже будет наблюдать лишь чисто электрическое поле Е " без примеси магнитного (В " = 0)? Ответ следует из формул (6.38) при подстановке туда нулевых значений для В , В ": из второго уравнения сразу вытекает Е " y = Е " z = 0, а из первого - Е у = E z = 0. Иными словами, такое возможно, когда электрическое поле (не обязательно однородное) направлено вдоль движения системы отсчета К ".
Уравнения электромагнетизма изначально были инвариантны относительно этих преобразований, так что теория относительности вполне безболезненно совместилась с электромагнитной теорией, в то время как классическая механика подверглась существенной ревизии. Вместо обоснования справедливости преобразований (6.38), что выходит за рамки нашего курса, мы познакомимся еще с одним их следствием.
Поскольку мы пока занимаемся в основном нерелятивистской физикой, упростим преобразования Лоренца для случая, когда скорость системы отсчета К " много меньше скорости света: V << с . В этом случае, как уже отмечалось, квадратные корни
и преобразования (6.38) принимают вид
|
|
Эти уравнения можно записать в векторной форме
|
|
Вернемся к нашей заряженной частице, покоящейся в системе К ". В этой системе магнитное поле отсутствует (В " = 0), а электрическое поле дается законом Кулона
Поскольку предполагается V << с , мы используем преобразования Галилея для пространственных координат и временных интервалов, так что радиус-вектор, проведенный от частицы в точку наблюдения, одинаков в обеих системах отсчета: r = r ". Подставляя указанные выражения для В ", Е " в преобразования (6.40), получаем
|
|
Здесь мы использовали соотношение (6.3)
Первое уравнение (6.41) - обычное кулоновское поле заряда q , второе - магнитное поле движущегося заряда (6.2). Таким образом, даже классический магнетизм - это проявление релятивистских эффектов. Электрическое и магнитное поля оказываются неразрывно связанными друг с другом в единое электромагнитное поле, конкретное проявление которого зависит от системы отсчета.
Пример. Самолет летит горизонтально со скоростью 250 м/с в магнитном поле Земли с магнитной индукцией 50 мкТл, направленной вертикально вниз. Какое электромагнитное поле будут наблюдать пассажиры самолета?
Решение. Направим ось 0х системы лабораторной отсчета К , связанной с Землей, вдоль маршрута самолета, так что его скорость запишется в виде
Ось 0z направим вертикально вверх, так что магнитная индукция описывается вектором
Нам надо найти электрическое и магнитное поля в движущейся системе отсчета К ", связанной с самолетом. Поскольку скорость самолета много меньше скорости света, мы можем применить формулы (6.40). Для удобства, однако, мы используем обратные формулы, получаемые заменой штрихованных величин на нештрихованные и изменением знака скорости: V = –v :
|
|
Так как в лабораторной системе электрического поля нет (Е = 0), то из второго уравнения сразу следует, что В " = В : магнитное поле для авиапассажиров останется тем же, что и для проводивших их в полет родственников. Однако, в самолете появится еще и электрическое поле. Его напряженность, как вытекает из первого уравнения, равна
Мы использовали здесь тот факт, что векторное произведение двух ортов дает третий орт
60 м на их концах создается разность потенциалов 
- величина небольшая, но доступная измерениям.
Дополнительная информация
http://www.galileogalilei.ru/ - Галилео Галилей (1564–1642). Биография. Сочинения. Размышления. Философия. Преобразования Галилея;
«Электромагнитные волны и их свойства» - Короткие волны. Электромагнитные волны. Радиоволны. Производит химическое действие на фотопластинки. В 1901 году Рентген первым из физиков получил Нобелевскую премию. Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Электромагнитные волны - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.
«Физика электромагнитные волны» - Майкл Фарадей. 1. Что такое электромагнитное поле? =. Урок по физике в 11 классе учитель - Хатеновская Е.В. МОУ СОШ № 2 с.Красное. Так возникает электромагнитное поле. . Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле и наоборот. Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений.
«Трансформатор» - На уроке применяются цифровые образовательные ресурсы из http://school-collection.edu.ru. От чего и как зависит ЭДС индукции в катушке из проводника. 9. 5. Какой прибор нужно подключить между источником переменного тока и лампочкой? Можно ли повышающий трансформатор сделать понижающим? II. 13. Запиши важное В трансформаторе применяется явление электромагнитной индукции.
«Электромагнитные волны» - Окончил Берлинский университет (1880 г.) и был ассистентом у Г. Гельмгольца. 4.3 Экспериментальное исследование ЭМВ. Если оптическая разность хода. Интерференционным членом. 4.1 Генерация ЭМВ. Где. Дополнил известный принцип. Главный максимум, соответствующий. Рисунок 7.7.
«Электромагнитное поле» - Свойства электромагнитных волн: Скорость электромагнитных волн в вакууме обозначается латинской буквой с: с? 300 000 км/с. Что такое электромагнитная волна? Существование электромагнитных волн было предсказано Дж. Возникнет возмущение электромагнитного поля. 9 класс Учитель физики МОУ «СОШ с. Рефлектор» Леснова Н.П.
«Волны электромагнитные» - Радиоволны. Радиоволны Инфракрасное Ультрафиолетовое Рентгеновское?-излучение. Как ориентированы векторы Е и В по отношению друг к другу в электромагнитной волне? Получаются с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов. Рентгеновские лучи. Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом.
Всего в теме 14 презентаций
Электромагнитные волны Понятие электромагнитных волн Образование электромагнитных волн Виды электромагнитных излучений их свойства и применение Выполнил студент группы ТЭ-21: Сизиков Андрей
Природа электромагнитной волны Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.
Образование ЭМВ волны Электромагнитные волны изучаются колеблющимися зарядами, при этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временим, т. е. они движутся с ускорением.
Историческая справка Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны экспериментально получены Герцем. В 1895 году А. С. Попов продемонстрировал практическое применение ЭМВ для радиосвязи. Сейчас мы знаем, что все пространство вокруг нас буквально пронизано электромагнитными волнами разных частот.
Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов: радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, γизлучение
Радиоволны Получаются с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов. Свойства: радиоволны различных частот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами. проявляют свойства дифракции и интерференции. Применение: Радиосвязь, телевидение, радиолокация.
Инфракрасное излучение (тепловое) Излучается атомами или молекулами вещества. Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Свойства: проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь дождь, дымку, снег, туман; производит химическое действие (фототгластинки); поглощаясь веществом, нагревает его; невидимо; способно к явлениям интерференции и дифракции; регистрируется тепловыми методами. Применение: Прибор ночного видения, криминалистика, физиотерапия, в промышленности для сушки изделий, древесины, фруктов.
Видимое излучение Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом. Свойства: отражение, преломление, воздействует на глаз, способно к явлению дисперсии, интерференции, дифракции.
Ультрафиолетовое излучение Источники: газоразрядные лампы с кварцевыми трубками. Излучается всеми твердыми телами, у которых t 0> 1 ООО°С, а также светящимися парами ртути. Свойства: Высокая химическая активность, невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благоприятно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное воздействие, изменяет развитие клеток, обмен веществ. Применение: в медицине, в промышленности.
Рентгеновские лучи Излучаются при больших ускорениях электронов. Свойства: интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение: в медицине с целью диагностики заболеваний внутренних органов; в промышленности для контроля внутренней структуры различных изделий.
γ-излучение Источники: атомное ядро (ядерные реакции). Свойства: Имеет огромную проникающую способность, оказывает сильное биологическое воздействие. Применение: В медицине, производстве (γ -дефектоскопия).
Влияние электромагнитных излучений на живые организмы электромагнитное излучение частотой 50 Гц, которое создается проводами сети переменного тока, при длительном воздействии вызывает сонливость, признаки усталости, головные боли. Чтобы не усиливать действие бытовых электромагнитных излучений, специалисты рекомендуют не располагать близко друг к другу работающие в наших квартирах электроприборы - микроволновую печь, электроплиту, телевизор, стиральную машину, холодильник, утюг, электрический чайник. Расстояние между ними должно быть не менее 1, 5- 2 м. На такое же расстояние следует удалять от телевизора или от холодильника ваши кровати.
Влияние электромагнитных излучений на живые организмы Радиоволны Инфракрасное Ультрафиолетовое Рентгеновское γ-излучение Домашнее задание: Выписать в тетрадь о влиянии каждого излучения на человека, животных, растения.
Вопросы на закрепление 1. Что называют электромагнитной волной? 2. Что является источником электромагнитной волны? 3. Как ориентированы векторы Е и В по отношению друг к другу в электромагнитной волне? 4. Какова скорость распространения электромагнитных волн в воздухе?
Вопросы на закрепление 5. Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из теории Максвелла? 6. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне? 7. Какие отношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн? 8. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы ее можно было зарегистрировать?
Вопросы на закрепление 9. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны? 10. Приведите примеры применения электромагнитных волн. 11. Расположите в порядке возрастания длины волны электромагнитные волны различной природы: 1) инфракрасное излучение; 2) рентгеновское излучение; 3) радиоволны; 4) γ -волны.
В данной работе были рассмотрены такие вопросы как понятие волн, электромагнитных волн и их экспериментальное обнаружение, свойства электромагнитных волн, шкала электромагнитных волн.
Электромагнитными волнами называется процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж.К.Максвеллом. Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Максвелл создал теорию электромагнитных волн. На основе своих уравнений он пришел к выводу, что в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.
Таким образом, ускоренное движение электрических зарядов приводит к возникновению электромагнитных волн - взаимосвязанным изменениям электрического и магнитного полей. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.
По Максвелу:
Электромагнитная волна является поперечной, так как векторы напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию;
Электромагнитные волны, как и другие волны, переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся электрическом и магнитном полях;
Электромагнитная волна должна обладать импульсом, а поэтому оказывать давление на тела.
Впервые опыты с электромагнитными волнами были осуществлены в 1888 г. Г. Герцем. С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приемника он получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Дальнейшие исследования электромагнитных волн показали, что они обладают способностью испытывать отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и поляризацию.
Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А.С. Попову.
Значение теории Максвелла:
1. Максвелл показал, что электромагнитное поле - это совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных полей.
2. Предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся от точки к точке с конечной скоростью.
3. Показал, что световые волны являются электромагнитными волнами, и по своей физической природе ничем не отличается от других электромагнитных волн - радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.
4. Связал воедино электричество, магнетизм и оптику.
