3.Утворення електромагнітних хвиль

Електромагнітні коливання поширюються у вигляді електромагнітних хвиль. У них відбуваються взаємні перетворення електричного і магнітного полів, які разом утворюють змінне електромагнітне поле. Процес поширення змінного електромагнітного поля у просторі називають електромагнітною хвилею.

Для одержання електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої природи, потрібна система, в якій відбуваються коливання. Для електромагнітних коливань такою системою може бути коливальний контур (мал. 4.7).

Сучасні електронні системи дають змогу підтримувати в ньому незатухаючі коливання протягом тривалого часу, що, у свою чергу, створює умови для тривалого випромінювання електромагнітних хвиль. Однак сам по собі закритий коливальний контур не може випромінювати електромагнітні хвилі. Електромагнітні коливання відбуваються в самому коливальному контурі і зовні це практично нічим не проявляється. Його електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора і поза його межами практично не виявляється. Змінні ж магнітні поля зосереджені в основному всередині котушки контура і не виходять за його межі. Коливання електромагнітного поля можуть поширюватися в просторі, якщо вони відбуваються в так званому відкритому контурі, який має два досить довгі провідники, з'єднані один з одним через котушку індуктивності (мал. 4.8).

Для збудження електромагнітних коливань у відкритому контурі є різні способи, але найпоширеніший з них, коли котушка індуктивності відкритого  коливального контура утворює індуктивний зв язок з контуром генератора незатухаючих коливань (мал. 4.9).

Закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль. Завдяки явищу електромагнітної індукції в котушці L_a з'являється змінна ЕРС, внаслідок чого в провідниках виникає змінний струм, а на провідниках — різнойменні заряди. Оскільки електрони, які утворють змінний електричний струм у провідниках, рухаються прискорено, то провідники відкритого коливального контура матимуть змінне електромагнітне поле.

Відкритий коливальний контур, у якому відбуваються електромагнітні коливання, має змінні магнітне й електричне поля. Кожне з цих полів індукуватиме поле-«супутник». Так, змінне електричне поле відкритого коливального контура індукуватиме «власне» змінне магнітне поле, вже не пов'язане із струмом у провідниках. Відповідно до теорії Максвелла, вектор магнітної індукції цього поля буде перпендикулярним до вектора напруженості електричного поля, а його значення залежатиме від швидкості зміни вектора напруженості електричного поля:

Індуковане змінне магнітне поле, у свою чергу, спричинюватиме появу індукованого електричного поля, вектор напруженості якого буде перпендикулярним до вектора магнітної індукції, а його значення залежатиме від швидкості зміни магнітної індукції:

Індукційні процеси захоплюють все нові й нові точки простору, і, таким чином, змінне електромагнітне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла.

Відкритий коливальний контур може бути джерелом електромагнітної хвилі. Змінний струм у відкритому коливальному контурі породжує змінне електромагнітне поле. Зміни електромагнітного поля поширюються в просторі, як хвилі.

На відстані декількох довжин хвилі від відкритого коливального контура в просторі вже поширюється єдина електромагнітна хвиля, в якій відбуваються взаємозумовлені одночасні зміни електричного і магнітного полів — складових електромагнітного поля. Цю частину хвилі називають хвильовою зоною. У хвильовій зоні зміни вектора напруженості електричного поля і вектора магнітної індукції відбуваються одночасно.

Графічно електромагнітну хвилю можна зобразити у вигляді двох синусоїд, розміщених у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 4.10).

Цей графік показує функціональну залежність значень векторів  від відстані у напрямку поширення електромагнітної хвилі. За напрямком вектори  однозначно пов'язані між собою і вектором швидкості поширення хвилі. Їхні коливання відбуваються у взаємно перпендикулярних площинах, причому вектор  завжди знаходиться в площині випромінюючого вібратора, а вектор швидкості завжди перпендикулярний до площини коливань векторів . Зв'язок між ними ілюструє мал. 4.11. Для запам'ятовування цього зв'язку користуються правилом правого гвинта: якщо правий гвинт обертати в напрямку від вектора  до вектора  найкоротшим шляхом, то напрямок його поступального руху збіжиться з напрямком вектора швидкості .

Аналітично коливальний процес, яким є електромагнітна хвиля, описується двома рівняннями:

де E_о і B_о — амплітуди хвилі; t — час спостереження; w — циклічна частота; r — відстань поширення хвилі; с — швидкість світла.

Для опису електромагнітної хвилі користуються гармонічними функціями.

Важливою особливістю електромагнітної хвилі є те, що у хвильовій зоні відсутній зсув фаз між коливаннями векторів  і хвиля стає незалежною від випромінюючого диполя. Змінне електромагнітне поле є вільним, не пов'язаним із зарядженими тілами. ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. У скільки разів і як зміниться швидкість поширення електромагнітної хвилі у разі переходу з вакууму в деяке середовище, якщо довжина хвилі зменшиться у 9 разів?

2. Скільки коливань відбувається в електромагнітній хвилі, що має довжину 500 м, за час, який дорівнює періоду звукових коливань з частотою 3 000 Гц?

3. Електромагнітні хвилі поширюються в однорідному середовищі зі швидкістю 2 • 108 ^м_с. Яку довжину хвилі мають коливання у цьому середовищі, якщо їх частота у вакуумі 1 МГц?

4.  Електромагнітні хвилі поширюються в середовищі зі швидкістю  2 • 108 ^м_с. Знайдіть довжину хвилі, якщо у вакуумі вона дорівнює  6 м?

5. Телевежа розміщена на межі прямої видимості від приймальної антени телевізійного приймача. Знайдіть відстань між ними, якщо відомо, що висота телевежі 300 м, а висота приймальної антени — 10 м.

6. Електроємність конденсатора зміннбї ємності в контурі радіоприймача може змінюватися від 50 до 450 пФ. Індуктивність котушки при цьому не змінюється і дорівнює 0,6 мГн. Які довжини хвиль може приймати радіоприймач?

7. На яку довжину хвилі настроєний коливальний контур, що складається з котушки індуктивністю 1,6 мГн і конденсатора ємністю 400 пФ?

8. Яку індуктивність повинна мати котушка, щоб разом із конденсатором ємністю 0,005 мкФ скласти контур, що резонує на електромагнітну хвилю завдовжки 500 м?

9. Радіостанція працює на хвилі завдовжки 150 м. Яку ємність має конденсатор у коливальному контурі передавача, якщо індуктивність його котушки 0,2 мГн ?

10. Хвилю якої довжини прийматиме радіоприймач, коливальний контур якого має конденсатор ємністю 75 пФ і котушку індуктивністю 1,34 мГн? Знайдіть частоту власних коливань контура радіоприймача.

11. У разі зміни струму в котушці на 1 А за 0,6 с у ній індукується ЕРС 0,23 мВ. Яку довжину хвилі матиме випромінювання генератора, в коливальний контур якого входить ця котушка і конденсатор ємністю 14,1 пФ ?

12. Основна частота сигналів телебачення 50 МГц. Протягом 0,04 с передається 500 000 елементів зображення. Визначте кількість довжин хвиль, які припадають на один елемент зображення.

13. На яку довжину хвилі настроєний коливальний контур, що складається з котушки індуктивністю 2 мГн і плоского конденсатора? Простір між обкладками конденсатора заповнено речовиною з діелектричною проникністю 11. Площа обкладок конденсатора 800 см², а відстань між ними — 1 см.

ЗАПИТАННЯ

1. Які явища засвідчують зв'язок між електричними і магнітними полями?

2. У чому суть явища магнітоелектричної індукції?

3. Які основні властивості електромагнітного поля?

4. За яких умов електромагнітне поле виявляється лише як електричне поле зарядженого тіла?

5. Коли можна одночасно виявити електричне і магнітне поля зарядженого тіла?

6. Яка мета досліджень Г. Р. Герца?

7. З яких частин складалася експериментальна установка Г. Р. Герца?

8. Чому в дослідах Г. Р. Герца було використано електричну іскру?

9. Які факти підтверджують хвильову природу випромінювання, відкритого Г. Р. Герцом?

10.  Що називають електромагнітною хвилею?

11. Чому закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль?

12. З якою метою застосовують відкритий коливальний контур?

13. Як випромінюється електромагнітна хвиля?

14. Як взаємно розміщені основні вектори в електромагнітній хвилі у хвильовій зоні? 

15. Як розміщений вектор швидкості хвилі відносно векторів Е і В?

16. Яка  роль коливального контура в процесі утворення  електромагнітної хвилі?

17. Яку електромагнітну хвилю називають вільною?