Электромагнитные волны. 
Физика

В 1821 г., после серии опытов, Майкл Фарадей опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция представляла собой еще несовершенный, но вполне практичный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую. Имя Фарадея становится всемирно известным.

Л чуть позже, в 1832 г., Фарадей предсказал существование электромагнитных волн.

Электромагнитная волна представляет собой взаимосвязанные колебания электрической и магнитной компонент поля. Эти колебания происходят с одной частотой и в одинаковой фазе, но во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле на рисунке можно изобразить синусоидой, которая представляет собой огибающую концов вектора напряженности электрического поля. Аналогично в перпендикулярной плоскости изображается переменное магнитное поле (рис. 6.53).

Рис. 6.53. Электромагнитная волна.

Скорость волны (скорость распространения колебаний векторов Е и II) перпендикулярна плоскостям? 1 Н и определяется выражением.

где А, — длина волны; Т, v — период и частота колебаний векторов Е, Н соответственно.

Уравнение плоской электромагнитной волны вдоль оси х

где со = 2kv; Е — модуль вектора? в точке х в момент t; Е₀ — амплитуда волны.

Посмотрев на это уравнение, можно сделать вывод, что волновое число есть.

Дважды дифференцируя уравнение плоской волны по времени (?) и дважды — по координате (х), получим уравнение волны в дифференциальной форме {волновое уравнение)

Плотность потока энергии электромагнитной волны (вектор Умова — Пойнтинга) определяет направление распространения энергии этой волны и совпадаете направлением скорости волны

п есть энергия, переносимая за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной скорости волны.

Объемная плотность энергии волны.

где W — энергия в объеме V. С учетом взаимосвязи между векторами Е и Н

Последнее выражение можно записать в виде.

Шкала электромагнитных волн. Разные электромагнитные волны отличаются друг от друга своей главной физической характеристикой — длиной волны (X). Здесь следует заметить, что волны могут отличаться частотой (v), но эта величина, обратная длине волны.

где с — скорость распространения волны (в вакууме она равна скорости света).

В зависимости от длины волны разные волны имеют различные свойства, и по этим свойствам мы делим волны на группы. Они вам хорошо известны: низкочастотные волны (НЧ), радиоволны, инфракрасное излучение (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое излучение (УФ), рентгеновские волны, а-, р-, у-излучения. В этих группах есть и более мелкая градация. Например, радиоволны.

Радиоволны — это электромагнитные волны с длиной волны от 0,1 мм до 10¹⁰ м (рис. 6.54), которые, в свою очередь делятся:

• • на X = 1-М 0 км — длинные волны;
• • X = 100-М 000 м — средние волны;
• • X = ЮМ 00 м — короткие волны;
• • X = 0,5 дм МО м — ультракороткие волны.

Радиоволны используют в системах радиолокации, радиопередачи, беспроволочной телефонной связи и в телевидении.

Рис. 6.54. Шкала электромагнитных волн.

Радиопередача и радиоприем состоят в преобразовании звуковых сигналов в электрические сигналы на радиостанции, передаче этих сигналов с помощью радиоволн и преобразовании электрических сигналов в звуковые в радиоприемнике. При этом на радиостанции происходит процесс наложения электрических колебаний звуковой частоты на высокочастотные колебания генератора (модуляция высокочастотных колебаний). Информацию несут только модулированные радиоволны. Для приема данной радиоволны X колебательный L, С — контур радиоприемника должен быть настроен в резонанс с частотой v_r для этой волны.

Радиолокация — это обнаружение и измерение расстояния I до объекта па основе отражения радиоволн

где с — скорость радиоволны; At — время перемещения импульса радиоволны от радиолокационной станции до объекта и после отражения от объекта до станции; это время измеряют осциллографом.

В системе телевидения процесс передачи изображения состоит в преобразовании на телестанции оптического изображения в электрический сигнал (видеосигнал), в передаче этого сигнала с помощью дециметровых радиоволн до телевизора и в обратном преобразовании этого сигнала в оптическое изображение. При этом на телестанции изображение разбивается на элементы, угол зрения на соседние элементы меньше одной угловой минуты (что глаз не замечает). Для передачи изображения движущихся предметов изображение сменяется с частотой 25 Гц (время зрительной памяти глаза — 0,02 с), благодаря этому изображение передается последовательно по элементам путем развертки изображения по одному каналу связи. Применяют строчную развертку вдоль оси х и кадровую развертку вдоль оси у. За одну секунду меняется 25 кадров, каждый кадр содержит 625 строк.

Четкой границы между значениями частот (длин волн) этих групп нет. На рис. 6.54 приведена шкала, по которой можно отнести электромагнитную волну к той или иной группе.