Тема 12. Електромагнітні коливання і хвилі

Тема 12. Електромагнітні коливання і хвилі

План

1. Поняття та види електромагнітних коливань. Коливальний контур

2. Вимушені електромагнітні коливання. Резонанс

3. Електромагнітні хвилі

1. Періодичні чи майже періодичні зміни заряду, сили струму і напруги називають електромагнітними коливаннями. Зазвичай ці коливання відбуваються з дуже великою частотою. Їх досліджують за допомогою спеціального приладу – осцилографа. Як і механічні коливання, електромагнітні коливання можуть бути вільними і вимушеними.

Отримати електромагнітні коливання так само просто, як і примусити тіло коливатися, відтягнувши його на пружині. А спостерігати не просто, оскільки безпосередньо ми не бачимо ні заряду конденсатора, ні струму в котушці. Вільними називаються коливання в системі, що виникають після виведення її із стану рівноваги і надаючи їй стану спокою.

Вільні електромагнітні коливання виникають під час розряджання конденсатора через котушку індуктивності.

Вимушеними електромагнітними коливаннями називаються коливання в колі під дією зовнішньої періодичної ЕРС. Змінна ЕРС виникає під час обертання замкненого провідника в однорідному магнітному полі.

Найпростіша система, в якій можуть виникнути вільні електромагнітні коливання, складається із послідовно з’єднаних конденсатора ємністю С і котушки індуктивності L, приєднаної до його обкладок. Таку систему називають коливальним контуром (рис. 1).

Рис. 1

2. Вільні електромагнітні коливання в контурі зазвичай швидко загасають через втрати тепла на активному опорі котушки і на випромінювання електромагнітних хвиль, тому частіше використовують вимушені електромагнітні коливання, які виникають під дією зовнішньої періодичної ЕРС. Змінна ЕРС виникає, наприклад, в дротяній рамці із кількох витків під час її обертання в однорідному магнітному полі. Виникнення ЕРС індукції в цьому разі зумовлено дією на рухомі електрони сили з боку магнітного поля. Вона викликає переміщення електронів у провідниках. Оскільки магнітний потік, який пронизує рамку, періодично змінюється відповідно до закону електромагнітної індукції, то періодично змінюється і ЕРС індукції. Під час замикання в колі змінна ЕРС створює змінний струм. Значення такого струму і напруги в колі змінюються з часом за гармонічним законом. Ці періодичні зміни викликають періодичні коливання швидкості впорядкованого руху заряджених частинок.

Існує декілька способів отримання змінного струму, але якщо частота не перевищує 1000 Гц, то зазвичай його отримають методом обертання рамки в магнітному полі.

У колах змінного струму спостерігається резонанс. Резонанс спостерігається в тому разі, коли частота власних коливань системи збігається з частотою зовнішньої сили.

Якщо частота прикладеної змінної напруги збігається із власною частотою контуру, то в колі виникає резонанс – явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань струму у разі збігу частоти зовнішньої змінної напруги із власною частотою коливального контуру.

Для створення коливань високої частоти, потрібних для радіозв’язку, стали необхідними системи, в яких генеруються незагасальні коливання за рахунок надходження енергії від джерела всередині системи; таку систему називають автоколивальною. А незагасальні коливання, які існують в системі без впливу на неї зовнішніх періодичних сил, називають автоколиваннями.

Прикладом автоколивальної системи є генератор на транзисторі.

Автоколивання відбуваються не лише в електричних системах, але і в механічних (наприклад, годинники з маятниками, органні труби, серце і легені людини).

3. Сукупність нерозривно взаємопов’язаних змінних вихрових електричного і магнітного полів називають електромагнітним полем. У природі взагалі немає відокремлених одне від одного електричних і магнітних полів, а існують електромагнітні поля як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею.

Електромагнітна хвиля поширюється в діелектрику, але ще краще у вакуумі. Наявність прискорення – головна умова випромінювання електромагнітної хвилі.

У вакуумі електромагнітні хвилі досягають найбільшої швидкості – швидкості світла (c = 3·10⁸ м/с). Властивості електромагнітних хвиль найлегше вивчати, використовуючи передавач і приймач, які працюють на сантиметровому діапазоні. Випромінювання і приймання таких хвиль можна зробити спрямованими. Досліди Герца і пізніше проведені експерименти показали, що електромагнітні хвилі мають такі властивості:

1) в однорідному середовищі поширюються рівномірно і прямолінійно;

2) відбиваються діелектриками, а ще краще провідниками, при цьому виконуються закони відбивання хвиль;

3) заломлюються;

4) фокусуються;

5) дають явища дифракції і інтерференції;

6) поляризуються.

Властивості електромагнітних хвиль виявились такими ж, як і властивості хвиль будь-якої іншої природи.

Електромагнітні хвилі мають майже необмежений діапазон частот і довжин хвиль. Шкалу цих хвиль наведено в додатку. Весь діапазон поділяють на декілька вузьких ділянок, для яких установлено конкретні межі.

Радіохвилі поділяють на довгі (понад 10 км), середні (сотні метрів), короткі (десятки метрів). Усіх їх переважно використовують у радіозв’язку. Ультракороткі радіохвилі поділяють на метрові, дециметрові та міліметрові. Перші використовують у телебаченні, другі і треті – у радіолокації. Діапазон радіохвиль частково перекривається з інфрачервоними променями, які широко застосовують у техніці. У цьому діапазоні працюють лазери, фокусування променів яких дозволяє краще обробляти матеріали.

Ультрафіолетові промені використовують для знезаражування приміщень у лікарнях, стимуляції хімічних реакцій, утворення потрібних генних мутацій та ін. Поверхня Землі захищена від шкідливих складових ультрафіолетових променів Сонця озоновим шаром (О3). Його збереження – це одна з важливих екологічних проблем.

Рентгенівське проміння отримують під час гальмування електронів, які прискорюються напругою в десятки кіловольтів. На відміну від світлового проміння видимого спектра й ультрафіолетового проміння, воно має значно меншу довжину хвиль. Причому довжина хвилі рентгенівського проміння є тим меншою, чим більша енергія електронів, які бомбардують перешкоду.

У встановленні природи цього випромінювання визначальними були дослідження українського вченого Івана Пулюя (1845-1918 рр.) на електронних вакуумних трубках власної конструкції, проведені задовго до відкриття В. Рентгена. Однак, В. Рентген першим запатентував відкриття Х-променів і тому їх називають рентгенівськими.

Рентгенівські промені майже одразу знайшли застосування в медицині. Ці промені за довжиною перекриваються із γ-промінням, яке утворюється під час розпаду нестійких ядер. Вони проходять через товстий шар металу, тому їх використовують для перевірки якості великих злитків, зон зварювання товстого металу та іншого. γ-проміння використовують у медицині, геології та інших галузях.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають електромагнітними коливаннями?

2. Що таке коливальний контур?

3. Які електромагнітні коливання називають вільними, а які вимушеними?

4. За яких умов в електричному колі виникають вимушені електричні коливання?

5. За яких умов виникає електричний резонанс?

6. У чому відмінність автоколивань від вимушених коливань і вільних?

7. Наведіть приклади автоколивальних систем?

8. Що називають електромагнітним полем?

9. Чи можуть електричні і магнітні поля існувати відокремлено одне від одного?

10. Що називають електромагнітною хвилею?

11. Які основні властивості електромагнітних хвиль?

12. На які види випромінювань прийнято поділяти шкалу електромагнітних хвиль?

Теми рефератів

1. Перетворення енергії в коливальному контурі

2. Дослідження І. Пулюя

3. Принципи радіозв’язку

---

Дата добавления: 2015-11-04