Распространение электромагнитных волн. Эмв оператор

Распространение электромагнитных волн | Компьютерные сети

Перечислим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волны связанные с частотой излучения.

• Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации.
• Чем выше частота, тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные радиоволны AM-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходиться комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не проходят через стены, ограничивая передачу прямой видимостью (Line Of Sight, LOS).
• Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстояниям от источника. При распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала.
• Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли. Именно поэтому сигналы АМ-радио могут передаваться на расстояния в сотни километров.
• Сигналы частот от 2 до 30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут распространяться даже на более значительные расстояния в несколько тысяч километров (при достаточной мощности передатчика).
• Сигналы в диапазоне выше 30 МГц распространяются только по прямой, то есть являются сигналами прямой видимости. При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает неприятность — они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман может стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых систем.
• Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, поэтому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.
• Для успешного использования микроволнового диапазона необходимо также учитывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распространяющихся в режиме прямой видимости и встречающих на своем пути препятствия.

Рис. 1 распространение электромагнитной волны

Когд а сигнал встречается с препятствием, которое частично прозрачно для данной длин ы волны и в то же время размеры которого намного превышают длину волны, то часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны микроволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому они частично отражаются от стен домов при передаче сигналов в городе. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пластину) также намного большего размера, чем длина волны, то происходит дифракция — сигнал как бы огибает препятствие, так что такой сигнал можно получить, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встрече с препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал рассеивается, распространяясь под различными углами.

В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются при беспроводной связи в городе, приемник может получить несколько копий одного и того же сигнала. Такой эффект называется многолучевым распространением сигнала. Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку один из сигналов может прийти с обратной фазой и подавить основной сигнал.

Так как время распространения сигнала вдоль различных путей будет в общем случае различным, то может также наблюдаться межсимвольная интерференция — ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника одновременно.

Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала, этот эффект называется многолучевым замиранием. В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!

Все эти искажения сигнала складываются с внешними электромагнитными помехами, которых в городе много. Достаточно сказать, что в диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые печи.

Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют специальные методы кодирования, распределяющие энергию сигнала в широком диапазоне частот. Кроме того, передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких башнях, чтобы избежать многократных отражений. Еще одним приемом является применение протоколов с установлением соединений и повторными передачами кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволяют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP.

 

iptcp.net

Что такое электромагнитные волны

 

Мало кто знает, что излучение электромагнитной природы пронизывает всю Вселенную. Электромагнитные волны возникают при его распространении в пространстве. В зависимости от частоты колебания волн происходит условное их разделение на видимый свет, радиочастотный спектр, инфракрасные диапазоны и пр. Практическое существование электромагнитных волн было доказано опытным путем в 1880 году немецким ученым Г. Герцем (кстати, единица измерения частоты названа в его честь).

Из курса физики известно, что магнитное поле представляет собой особый вид материи. Несмотря на то, что зрением можно увидеть лишь небольшую его часть, его влияние на материальный мир огромно. Электромагнитные волны являются последовательным распространением в пространстве взаимодействующих векторов напряженности магнитного и электрического полей. Впрочем, слово «распространение» в данном случае не совсем корректно: речь идет, скорее, о волнообразном возмущении пространства. Причиной, генерирующей электромагнитные волны, является появление в пространстве изменяющегося с течением времени электрического поля. А, как известно, существует прямая связь между электрическими и магнитными полями. Достаточно вспомнить правило, согласно которому вокруг любого проводника с током присутствует магнитное поле. Частица, на которую действуют электромагнитные волны, начинает колебаться, а раз есть движение, значит, существует излучение энергии. Электрическое поле со скоростью света передается соседней частице, находящейся в покое, в результате вновь генерируется поле электрической природы. А так как поля взаимосвязаны, следом появляется магнитное. Процесс распространяется лавинообразно. При этом реального движения нет, а есть колебания частиц.

О возможности практического использования такого вида колебаний физики задумывались уже давно. В современном мире энергия электромагнитных волн столь широко применяется, что многие этого даже не замечают, принимая это как должное. Яркий пример – радиоволны, без которых была бы невозможна работа телевизоров и мобильных телефонов.

Процесс происходит следующим образом: на металлический проводник особой формы (антенну) постоянно передается модулированный переменный ток. Благодаря свойствам электрического тока вокруг проводника возникает электрическое, а следом и магнитное поле, в результате чего осуществляется излучение электромагнитных волн. Так как частота колебаний модулируется, они несут определенный порядок, закодированную информацию. Чтобы уловить нужные частоты, у адресата устанавливается приемная антенна специальной конструкции. Она позволяет отобрать из общего электромагнитного фона нужные частоты. Попав на металлический приемник, волны частично преобразовываются в электрический ток исходной модуляции. Далее они поступают на усиливающий блок и управляют работой устройства (передвигают диффузор динамика, поворачивают электроды в экранах телевизоров).

Ток, полученный из электромагнитных волн, можно легко увидеть. Для этого достаточно оголенной жилой кабеля, идущего от антенны к приемнику, коснуться общей массы (батареи отопления, контура заземления). В этот момент между массой и жилой проскакивает искра – это и есть проявление генерированного антенной тока. Его значение тем больше, чем ближе и мощнее передатчик. Также существенное влияние оказывает конфигурация антенны.

Еще одно проявление электромагнитных волн, с которым многие ежедневно сталкиваются в быту – это использование микроволновой печи. Вращающиеся линии напряженности поля пересекают предмет и передают часть своей энергии, нагревая его.

 

fb.ru

Электромагнитные волны - определения, описание и свойства

Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля. Взгляды современных учёных на процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн, частным случаем которых является свет, отличаются особым разнообразием и непоследовательностью. Однако мы для начала приведём анимацию,  в которой показана электромагнитная волна и дано объяснение основного свойства электромагнитных волн, отличающие их от других, а именно, поперечность электромагнитной волны. И та же анимация, но с другой точки зрения. С направления находящегося на линии распространения электромагнитной волны. Красный вектор направление действия электрического поля, черный - направление действия магнитного поля. Обратите внимание на следующий очень важный момент, объясняющий когерентность электромагнитных волн. Этот момент достаточно плохо освещён в современных учебниках.Если волны имеют одинаковую частоту (верхняя анимация), но скорость изменения направлений действия электрических и магнитных сил (нижняя анимация) у них будет разная, такие электромагнитные волны не будут когерентны.    Отметим базисные положения, на которые мы будем опираться в новой теории возникновения, распространения и поглощения электромагнитных волн, как части общей теории взаимодействий (самая верхняя анимация). Эти базисные положения не противоречат принципу непрерывности. Они описаны на странице общая теория взаимодействий. Определение волны.    Волна (волновой процесс) - процесс распространения колебаний в сплошной среде. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества (10)* Смотрите, что произошло. Мы только привели определение волны, дающееся в учебнике, но уже можем отметить ошибочность некоторых основ современного представления о распространении электромагнитных волн.       а) фотоны по определению не могут двигаться;       б) среда распространения должна быть сплошной.Оба пункта в Стандартной модели (изучаемой в школе или институте) нарушаются. И фотоны летят со скоростью света, и сплошной среды не просматривается.    2.  Принцип Гюйгенса. Каждая точка среды, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн даёт положение волнового фронта в следующий момент времени.         Данный принцип усиливает подозрения в существовании сплошной непрерывной среды.     3.  Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью, не зависящей от скорости источника или приёмника излучения и равной c.    4.   Амплитуда колебаний всех электромагнитных волн одинакова, волны различаются лишь частотой (длинной волны), фазой, степенью поляризации и скоростью изменения этой поляризации..       Теперь несколько рассуждений. Если среда распространения сплошная, следовательно, её непрерывно заполняют отдельные частицы. Такие частицы способны переносить электрическое поле, поэтому они должны нести в себе электрические заряды. Но частицы эти в целом нейтральны. Естественно предположить, что они являются диполями. Сделаем предположение.        Электромагнитные колебания передаются особыми полярными частицами с помощью вращений.     Назовём такую частицу БИОН. Вид отдельного биона в окошке справа.Бионы непрерывно заполняют все пространство (в том числе и физический вакуум).  Мы дали этой частице новое название, чтобы не объяснять каждый раз, имеем ли мы в виду старое понятие фотон или новое. Еще раз. Бион представляет собой элементарный диполь, передающий электромагнитные колебания посредством вращения.  Все свойства электромагнитных волн можно описать определёнными видами вращений биона. Бион имеет форму шара (смотрите анимацию ниже).   Однако, в некоторых анимационных роликах, мы будем показывать бион, как два шарика (смотрите ниже). Это сделано с целью "облегчить" анимацию, в противном случае она (анимация), например, для неполяризованной электромагнитной волны, имела бы достаточно большую величину. Но вы никогда не должны забывать о сферической форме каждого биона.   Линия распространения волны - луч света - пересекается полюсами биона после каждого полуоборота. Такое вращение одного из бионов, вызывает вращения соседних с ним бионов, и как следствие, волна имеет сферическую форму, но распространяется прямолинейно по всем направлениям. Подробности устройства биона на странице строение физического вакуума.    Основы новой теории возникновения, распространения и поглощения электромагнитных колебаний.     1. Становится понятным и наглядным процесс излучения (начало вращения) и процесс поглощения (передача энергии вращения), в отличие от непонятного рождения фотона (причём на скорости света), и его исчезновения (также на скорости света). Откуда фотон мог знать, когда ему надо начинать рождаться и исчезать? Выныривание из моря Дирака также не подходит, выныривать то некуда, море Дирака везде.    2. Становится ясной физическая интерпретация частоты в формуле Планка. Она представляет собой частоту вращения биона. Сама постоянная Планка также обретает логическое определение, она есть энергия одного оборота биона.      3. Являясь носителем зарядов, бион, при своём вращении, создаёт магнитное поле, аналогично полю, создаваемому, допустим, кольцевым проводником с током.   4. Без дополнительных, и попутно заметим не законных ухищрений, которыми пользовался Френель, мы получаем объяснение прямолинейности распространения света. Вращения передаются по прямой в любых направлениях, не изменяясь. Для наглядности всё же приведём рисунок в качестве подтверждения и объяснения прямолинейности света. Вращение передаётся во всех направлениях, сохраняя при этом все свои характеристики. На рисунке приведена механическая ( не электрическая) аналогия. Начните вращать любой из шаров, и все остальные начнут вращаться также, с той же частотой, ведь все бионы одинаковы. Метод зон Френеля. Покажем незаконность использования способа предложенного Френелем. Напомним, что для объяснения прямолинейности распространения света, в рамках волновой теории, Френель разбил волновую поверхность на кольцевые зоны.При таком разбиении прямолинейность распространения света определяется выбором точки С0, являющейся центром колец разбиения. То есть, чтобы доказать прямолинейность распространения света между точками И и П Френель выбрал точку , лежащую на прямой между ними. Естественно у него получилась прямолинейность.Но, если точку выбрать в другом месте, или, если разбить волновую поверхность на зоны по-другому, то ничего подобного выводам Френеля мы не получим. Да, и используя для нахождения в точке П величины суммарной амплитуды колебаний интерференцию, Френель заведомо использует прямолинейность распространения света. Таким образом прямолинейность (заложенная внутри интерференции) подтверждает сама себя.    5. Также не представляет труда убедиться в независимости распространения двух различных колебаний (вращений). В случае, когда пересекаются два луча, картина будет выглядеть примерно следующим образом.   Для "облегчения" анимационного ролика, в нём, в качестве примера, использованы две поляризованные волны. В случае, если взаимодействующие электромагнитные волны будут иметь более сложный вид, свойства вращения биона, передающего два (или более) вида вращения, можно рассчитать, с использованием формулы суммы косинусов. Эти данные будут использованы на страницах дифракция и интерференция, описывающих соответствующие свойства электромагнитных волн.   6.  Законы отражения и преломления сохраняют своё действие. Возникновение электромагнитных волн. Электромагнитные волны возникают всегда, когда в пространстве есть изменяющееся электрическое поле. Такое изменяющееся электрическое поле вызвано, чаще всего, перемещением заряженных частиц, и как частный случай такого перемещения, переменным электрическим током. 1. Первый случай возникновения излучения электромагнитной волны, покажем на примере ускоренного движения электрона. При движении пробного заряда сквозь бионы, последние будут поворачиваться в направлении движения заряда (смотрите анимацию). Если электрон станет двигаться с ускорением, то возникнет излучение электромагнитной волны.Такая волна вызвана тем, что в определённый момент времени, синхронность поворота бионов нарушается, и один или несколько из них проворачиваются, создавая электромагнитную волну. Причина проворота бионов, во взаимном отталкивании одноименных полюсов.Нажав правой кнопкой мыши на окно анимационного ролика, вы можете включить по-кадровое воспроизведение, и подробнее рассмотреть момент возникновения излучения электромагнитной волны. Эту процедуру (по-кадровое воспроизведение) можно осуществить для любого ролика размещённого на сайте. Для нейтральной частицы, похожим образом можно показать возникновение волн Де Бройля, также имеющих место при движении частиц. Оно вызвано воздействием бионов окружающих частицу и вращающихся гравитационно, на бионы физического вакуума (или бионы, заполняющие пространство между молекулами газов). Картина будет  более сложной, чем в случае заряженной частицы. 2. Второй случай возникновения излучения электромагнитных волн связан с движением электронов в атоме. В анимации показан край электрона, движение которого вызывает поворот ближайшего к нему биона. Этот бион передаёт энергию вращения, полученную от атома следующим, близ лежащим бионам, то есть возникает электромагнитная волна. (Отметим, что в нашей новой теории строения атомов, они (атомы), вращаются как одно целое (электроны жёстко связаны с ядром), в отличие от классического представления, когда любой из электронов движется вокруг ядра.Но в этой анимации можно увидеть и другой, очень важный момент. Чтобы начал вращаться второй бион, первый должен  изменить своё положение на некоторый угол, и лишь тогда возникнет вращение второго биона, вызванное электрическим отталкиванием одноимённо заряженных. Именно это объясняет конечность скорости света, к подробному объяснению которой, мы ниже и перейдём. Также, здесь просматривается намёк на объяснение значения спина электрона. Но об этом на странице, посвящённой строению атомов.3. Третий случай возникновения электромагнитной волны реализуется, например, в излучательных антеннах. Такое излучение достигается подачей на острие антенны переменного тока. Электроны в проводнике движутся то вперёд, то назад, то есть с ускорением. А это в свою очередь приводит к излучению электромагнитных волн, свойства которых можно менять, изменяя характеристики подаваемого на антенну электромагнитного колебания.    Постоянство и конечность скорости распространения электромагнитных колебаний.  Постоянство скорости света вытекает из неизменности среды распространения волны (физического вакуума). Такое утверждение справедливо лишь для небольших, по астрономическим меркам, расстояний. Конечность скорости распространения электромагнитной волны является следствием подчинения закону сохранения энергии. Можно провести аналогию со скоростью распространения звука в воде, которая также не зависит от скорости движения источника и приёмника. Но мы возьмём вакуум и покажем, что скорость света - это скорость распространения вращений бионов от одного к другому. Влияние источника и приёмника не может распространяться на то, с какой скоростью бионы передают вращение друг другу.     Предельная максимальность скорости света вытекает из математического свойства циклоиды, частным случаем которой является окружность. Так как циклоида является кривой наибыстрейшего спуска, иначе говоря, допустим, скатываясь по снежной горке, профиль которой выполнен в виде циклоиды (в нашем случае окружности, бионы ведь по определению покоятся, v=0), мы окажемся у основания горки быстрее, чем в случае любой другой её формы. Сомнения - первый шаг к философии, сказал кто-то из великих. Предлагаю и вам усомниться в постоянстве скорости света. Хорошо известен факт изменения частоты электромагнитных колебаний при распространении света вблизи гравитационных масс (эксперимент Паунда и Ребке). То есть, фотон приближающийся к Земле увеличивает частоту, а удаляющийся от Земли уменьшает. Покажем для наглядности рисунок с пояснениями о том, что такое частота, длина волны и скорость распространения света.   Длина волны - расстояние между бионами, вращающимися в одинаковой фазе. Скорость света - расстояние от первого вращающегося биона до того, который начнёт вращаться через секунду после первого, или длина волны при частоте равной одному обороту в секунду.      Не составляет труда понять, что скорость света, это скорость распространения вращения (смотрите анимацию в начале страницы).    Рассмотрим подробно процесс распространения вращения бионов. Частота  - количество оборотов биона за одну секунду. Если частота не изменяется, это значит бион, отмеченный на рисунке цифрой 1, вращается с той же частотой, что и бион, отмеченный цифрой 2. Если же на пути от первого биона до второго произошло изменение частоты вращения, то это означает, что бион номер 2 не будет вращаться в той же фазе, то есть не закончит целый оборот (если частота, допустим, уменьшилась). Но это значит только одно, что скорость передачи вращения (скорость света) уменьшилась. Попробуем прикидочно оценить это изменение скорости. Для этого воспользуемся радиусом сильного взаимодействия, и будем считать, что расстояние между зарядами в диполе, являющемся бионом, равно этой величине. Тогда при изменении частоты допустим на 1 мегагерц, путь пройденный лучом света, уменьшится на 1000000 размеров биона, то есть на расстояние порядка десять в минус шестой сантиметра. Мы скорость распространения света не знаем с такой точностью, поэтому никакими приборами не сможем измерить и такое её изменение. Так что же, нет возможности установить, меняется скорость света или нет, спросите вы? Другое явление поможет нам в ответе на этот вопрос. А именно, дисперсия. Зависимость показателя преломления от частоты хорошо известна из опытов. Но показатель преломления означает изменение скорости распространения электромагнитных волн в данной среде. То есть, в тот самый момент, когда под действием гравитации изменяется частота электромагнитных колебаний, одновременно изменяется и скорость распространения волны. Свойства электромагнитной волны. Частота - количество оборотов биона в единицу времени.Скорость света - скорость передачи вращений от одного биона к другому.Фаза - расположение одного из полюсов биона относительно линии распространения электромагнитной волны. Объяснение поперечности и когерентности электромагнитных волн мы уже привели. Другие свойства электромагнитных волн описаны на  страницах дифракция, интерференция, дисперсия света и поляризация света. Электромагнитные волны - история открытия и интересные факты. Нам удалось просто и наглядно описать электромагнитные волны. Их свойства, такие как дифракция, интерференция, когерентность, дисперсия и поляризация подробно описаны показаны с помощью флеш анимации на следующих страницах. А теперь немного из истории.Всё окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце и звёзды, окружающие нас тела и Земля, антенны радиостанций и телефоны испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят различные названия: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, рентгеновские лучи и лучи биополя. Этот неиссякаемый источник энергии порождают колебания электрических зарядов атомов и молекул. Если заряд колеблется, то он движется с ускорением, а значит, излучает электромагнитные волны. Изменяющееся магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку пространства за другой. Распространяющееся электромагнитное поле и называют электромагнитной волной. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме С = 299 792 458 м/с. К такому выводу приводит теория электромагнитного поля, созданная в 60 годах 19 века Максвеллом, и описанная им в книге «Трактат об электричестве и магнетизме»(1873).Лишь в конце 1880-х годов немецкий физик Г.Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн и исследовал некоторые их свойства. Герц получал электромагнитное излучение с помощью вибратора - пары металлических стержней, разделённых небольшим воздушным пространством, на которые подавалось сильное электрическое напряжение. Электромагнитное излучение направлялось на большой металлический лист. Падающая и отражённая волна складывались, образуя стоячую волну.По геометрическим размерам элементов вибратора и по расстоянию между излучающим и передающим вибраторами Герц и определил скорость распространения электромагнитной волны. Получилась величина равная скорости света. Это доказывало электромагнитную природу света. Добавлена страница объяснение закона отражения света Ссылки по теме : дифракция, интерференция, дисперсия света, поляризация света, дифракция электронов.

Общая теория взаимодействий General theory of interactions     Конец света 2012 Летающие тарелки Анализ послания инопланетян Расшифровка кругов на полях Календарь майя о конце света 2012. Смысл пророчества раскрыт Как научиться     Как научиться петь    Как научиться читать реп    Обучение иностранному языкуКак соблазнять парней   Как научиться заигрывать с парнями   Как мне научиться нравиться парням Как понять, что нравишься Как завоевать мужчину Как выспаться за 4 часа Как создать сайт самостоятельно Раскрутка сайтов в интернете Заработать в интернете - как, сколько, где Познакомиться! Знакомство как искусство! ФОРУМ БЛОГ  Гостевая книга НОВОСТИ      Галактика Разума Заработать в интернете - как, сколько, где

www.b-i-o-n.ru

Электромагнитные волны, свойства. Электромагнитное поле. Тесты, курсы по физике

Тестирование онлайн

• Колебательный контур. Электромагнитные волны

Электромагнитное поле

В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Из теории Максвелла следует, что возможен и обратный процесс. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.

Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля - электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с, то есть со скоростью света.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:

Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Электромагнитная волна переносит энергию.

Диапазон электромагнитных волн

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Принцип радиосвязи

Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур "открывают", т.е. создают условия для того, чтобы поле "уходило" в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром - антенной.

Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.

Радар (радиолокатор)

Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.

Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.

fizmat.by

Теория по физике / 5

5. Электромагнитные волны. Образование электромагнитных волн. Волновое уравнение электромагнитных волн. Плоская электромагнитная волна.

Существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с ко­нечной скоростью,— вытекает из уравне­ний.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбужде­ния электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное элек­трическое поле (ток смещения) или со­ответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источни­ка определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором пере­менное электромагнитное поле создается.

Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конден­сатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

откры­тый колебательный контур (вибратор Герца), представляющий собой два стер­жня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебатель­ном контуре переменное электрическое по­ле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225, а), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 225, в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излуче­ния. Колебания в такой системе поддер­живаются за счет источника э.д.с., под­ключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциа­лов, до которой первоначально заряжают­ся обкладки.

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к ин­дуктору И (рис.226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало про­бивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие

колебания. При исчезновении искры кон­тур размыкался и колебания прекраща­лись. Затем индуктор снова заряжал кон­денсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называе­мым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и из­лучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электро­магнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электриче­ская искра.

Дальше создавались новые приборы на основе вибратора Герца. Недостатком этих приборов являлось то, что свобод­ные колебания в них быстро затухали и обладали малой мощностью. Для полу­чения незатухающих колебаний необходи­мо создать автоколебательную систему (см. § 146), которая обеспечивала бы по­дачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Поэтому в 20-х годах нашего столетия перешли к генерированию электромагнитных волн с помощью электронных ламп. Ламповые генераторы позволяют получать колеба­ния заданной (практически любой) мощ­ности и синусоидальной формы.

Электромагнитные волны, обладая ши­роким диапазоном частот (или длин волн =c/v, где с — скорость электромагнит­ных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и ре­гистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различными видами электромаг­нитных волн довольно условны.

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны

Для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создаю­щих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электро­магнитного поля удовлетворяют волново­му уравнению типа (154.9):

— оператор Лапласа, v — фазовая ско­рость.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некоторую волну. Следовательно, электро­магнитные поля действительно могут су­ществовать в виде электромагнитных волн. Фазовая скорость электромагнитных волн определяется выражением

где с= 1/00, 0 и 0 — соответственно

электрическая и магнитная постоянные,  и  — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме (при =1 и =1) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как > 1, то скорость распространения электро­магнитных волн в веществе всегда мень­ше, чем в вакууме.

Следствием теории Максвелла являет­ся поперечность электромагнитных волн: векторы Е и Н напряженностей электриче­ского и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны (на рис. 227 показана моментальная «фотография» плоской электромагнитной волны) и лежат в плос­кости, перпендикулярной вектору v скоро­сти распространения волны, причем векто­ры Е, Н и v образуют правовинтовую систему. Из уравнений Максвелла следует также, что в электромагнитной волне век­торы Е и Н всегда колеблются в одина­ковых фазах (см. рис. 227), причем мгно­венные значения Е и Н в любой точке связаны соотношением

0Е=0Н. (162.4)

Следовательно, E и H одновременно достигают максимума, одновременно об­ращаются в нуль и т. д.

От волновых уравнений (162.1) и (162.2) можно перейти к уравнениям

где соответственно индексы у и z при Е н Н подчеркивают лишь то, что векторы Е и Н направлены вдоль взаимно перпен­дикулярных осей у и z.

Уравнениям (162.5) и (162.6) удов­летворяют, в частности, плоские монохро­матические электромагнитные волны (электромагнитные волны одной строго определенной частоты), описываемые уравнениями

Еу=Е0cos(t-kx+), (162.7)

Hz= H0cos(t-kx+), (162.8)

где е0 и Н0 — соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнит­ного полей волны,  — круговая частота волны, k=/v— волновое число, — начальные фазы колебаний в точках с ко­ординатой х=0. В уравнениях (162.7) и (162.8)  одинаково, так как колебания электрического и магнитного векторов в электромагнитной волне происходят с одинаковой фазой.

studfiles.net

Что такое электромагнитные волны? :: SYL.ru

Электромагнитные волны, если верить физике, являются одними из наиболее загадочных. В них энергия фактически исчезает в никуда, появляется непонятно откуда. Больше ни одного такого подобного объекта нет во всей науке. Как же происходят все эти чудесные взаимопревращения?

Электродинамика Максвелла

А началось все с того, что ученый Максвелл в далеком 1865 году, опираясь на работы Фарадея, вывел уравнение электромагнитного поля. Сам Максвелл считал, что его уравнения описывали кручение и натяжение волн в эфире. Через двадцать три года Герц экспериментально создал такие возмущения в среде, причем удалось не только согласовать их с уравнениями электродинамики, но и получить законы, управляющие распространением этих возмущений. Возникла любопытная тенденция объявлять любые возмущения, которые имеют электромагнитный характер, волнами Герца. Однако эти излучения – не единственный способ осуществления передачи энергии.

Беспроводная связь

На сегодняшний день к возможным вариантам осуществления подобной беспроводной связи относят:

- электростатическую связь, которую также называется емкостной;

- индукционную;

- токовую;

- связь Теслы, то есть связь волн электронной плотности по проводящим поверхностям;

- широчайший спектр наиболее распространенных носителей, которые называются электромагнитные волны – от сверхнизких частот до гамма-излучения.

Стоит рассмотреть эти виды связи более подробно.

Электростатическая связь

Два диполя являются связанными электрическими силами в пространстве, что является следствием закона Кулона. От электромагнитных волн данный тип связи отличается возможностью связать диполи при расположении их на одной линии. С увеличением расстояний сила связи затухает, а также наблюдается сильное влияние различных помех.

Индукционная связь

Основана на магнитных полях рассеяния индуктивности. Наблюдается между объектами, которые имеют индуктивность. Применение ее довольно ограничено ввиду близкодействия.

Токовая связь

Благодаря токам растекания в проводящей среде может возникнуть определенное взаимодействие. Если через терминалы (пара контактов) пропустить токи, то эти самые токи можно обнаружить на значительном расстоянии от контактов. Именно это и называется эффектом растекания токов.

Связь Теслы

Знаменитый физик Никола Тесла изобрел связь с помощью волн на проводящей поверхности. Если в каком-то месте плоскости нарушить плотность носителя заряда, то эти носители начнут движение, которое будет стремится к восстановлению равновесия. Так как носители обладают инерционной природой, то восстановление носит волновой характер.

Электромагнитная связь

Излучение электромагнитных волн отличается огромным дальнодействием, так как их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию до источника. Именно этот способ беспроводной связи получил наибольшее распространение. Но что такое электромагнитные волны? Для начала необходимо осуществить небольшой экскурс в историю их открытия.

Как «появились» электромагнитные волны?

Началось все в 1829 году, когда американский физик Генри обнаружил возмущения электрических разрядов в экспериментах с лейденскими банками. В 1832 году физиком Фарадеем было выдвинуто предположение о существовании такого процесса, как электромагнитные волны. Максвелл в 1865 году создал свои знаменитые уравнения электромагнетизма. В конце девятнадцатого века было много успешных попыток создания беспроводной связи с помощью электростатической и электромагнитной индукции. Знаменитый изобретатель Эдисон придумал систему, которая позволяла пассажирам железной дороги отправлять и получать телеграммы прямо во время движения поезда. В 1888 году Г. Герц однозначно доказал то, что электромагнитные волны появляются с помощью устройства, названного вибратором. Герц осуществил опыт по передаче электромагнитного сигнала на расстояние. В 1890 году инженер и физик Бранли из Франции изобрел устройство для регистрации электромагнитных излучений. Впоследствии этот прибор был назван "радиокондуктор" (когерер). В 1891-1893 годах Никола Тесла описал основные принципы осуществления передачи сигналов на большие расстояния и запатентовал мачтовую антенну, которая являлась источником электромагнитных волн. Дальнейшие заслуги в изучении волн и технической реализации их получения и применения принадлежат таким знаменитым физикам и изобретателям, как Попов, Маркони, де Мор, Лодж, Мирхед и многим другим.

Понятие «электромагнитная волна»

Электромагнитная волна – это явление, которое распространяется в пространстве с определенной конечной скоростью и являет собой переменное электрическое и магнитное поле. Так как магнитные и электрические поля неразрывно связанны друг с другом, то они образуют электромагнитное поле. Также можно сказать, что электромагнитная волна – это возмущение поля, причем во время своего распространения энергия, которая есть у магнитного поля, переходит в энергию поля электрического и обратно, согласно электродинамике Максвелла. Внешне это похоже на распространение любой другой волны в любой другой среде, однако есть и существенные отличия.

Отличие электромагнитных волн от других?

Энергия электромагнитных волн распространяется в довольно непонятной среде. Чтобы сравнивать эти волны и любые другие, необходимо понять, о какой среде распространения идет речь. Предполагается, что внутриатомное пространство заполняет электрический эфир – специфическая среда, которая является абсолютным диэлектриком. Все волны во время распространения проявляют переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. При этом у этих энергий сдвинуты максимум во времени и пространстве относительно друг друга на одну четвертую полного периода волны. Средняя энергия волны при этом, являясь суммой потенциальной и кинетической энергии, является постоянной величиной. Но с электромагнитными волнами дело обстоит иначе. Энергии и магнитного и электрического поля достигают максимальных значений одновременно.

Как возникает электромагнитная волна?

Материя электромагнитной волны – это электрическое поле (эфир). Движущееся поле является структурированным и складывается из энергии его движения и электрической энергии самого поля. Поэтому потенциальная энергия волны связанна с кинетической и синфазна. Природа электромагнитной волны представляет собой периодическое электрическое поле, которое находится в состоянии поступательного движения в пространстве и движется со скоростью света.

Токи смещения

Есть и другой способ объяснить, что собой представляют электромагнитные волны. Предполагается, что в эфире возникают токи смещения при движении неоднородных электрических полей. Возникают они, естественно, только для неподвижного стороннего наблюдателя. В момент, когда такой параметр как напряженность электрического поля достигает своего максимума, ток смещения в данной точке пространства прекратится. Соответственно, при минимуме напряженности получается обратная картина. Этот подход проясняет волновую природу электромагнитного излучения, так как энергия поля электрического оказывается сдвинутой на одну четвертую периода по отношению к токам смещения. Тогда можно сказать, что электрическое возмущение, а точнее энергия возмущения, трансформируется в энергию тока смещения и обратно и распространяется волновым образом в диэлектрической среде.

www.syl.ru

Электромагнитные волны - Физическая энциклопедия

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ - электромагнитные колебания ,распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фа-радеем (М. Faraday) в 1832. Дж. Максвелл (J. Maxwell) в 1865 теоретически показал, что эл--магн. колебания распространяются в вакууме со скоростью света. В 1888 макс-велловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах Г. Герца (Н. Hertz), что сыграло решающую роль для её утверждения.

Теория Максвелла позволила установить, что радиоволны, свет, рентг. излучение и гамма-излучение представляют собой Э. в. с разл. длиной волны l (табл.), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резких границ (рис.).

Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями .Если в какой-то области пространства существуют электрич. заряды е и токи I, то изменение их со временем t приводит к излучению Э. в. На характер распространения Э. в. существенно влияет среда, в к-рой они распространяются. Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн, полное внутреннее отражение и др. явления, свойственные волнам любой природы. Пространств. распределение эл--магн. полей, временные зависимости E( t) и H( t), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и др. особенности Э. в., задаются, с одной стороны, характером источника излучения, с другой - свойствами среды, в к-рой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создающих эл--магн. поле, ур-ния Максвелла приводят к волновым уравнениям:

описывающим, в частности, распространение плоских мо-нохроматич. Э. в.:

Здесь e-диэлектрич., m-магн. проницаемости среды, Е0 и H0- амплитуды колебаний электрич. и магн. полей, w = 2pv - круговая частота этих колебаний, j - произвольный сдвиг фазы, k - волновой вектор, r - радиус-вектор точки, -оператор Лапласа, E | H | k, Н0=

Если среда неоднородна или содержит поверхности, на к-рых изменяются её электрич. либо магн. свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может существенно отличаться от плоской линейно поляризованной волны. Э. в. могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях, в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. Волновод металлический, Световод), в квазиоптич. линиях (см. Квазиоптика).

Характер изменения во времени Е и Н определяется законами изменения тока I(t) и зарядов e(t), возбуждающих Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует I(t)или e(t). Она в точности повторяет форму тока только в случае линейной среды, если I=I0 sin wt. Т. к. волны любой формы можно представить в виде суммы гармонич. составляющих, то для линейных сред, для к-рых справедлив принцип суперпозиции, все задачи излучения, распространения и поглощения Э. в. произвольной формы сводятся к решению задач для гармонич. Э. в.

В изотропном пространстве скорость распространения гармонич. Э. в., т. е. фазовая скорость u= c/. При наличии дисперсии скорость переноса энергии (групповая скорость)может отличаться от u. Плотность потока энергии, переносимой Э. в., определяется Пойнтинга вектором S=(c/4p)[EH]. Т.к. в изотропной среде векторы Е, Н и k образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения Э. в. В анизотропной среде (в т. ч. вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения Э. в.

Простейшим излучателем Э. в. является электрич. диполь- отрезок проводника длиной l<<l, по к-рому протекает ток i=i0 sin wt. На расстоянии от диполя r>>l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферич. волны (см. Антенна).

Создание мощных источников радиоволн во всех диапазонах, а также появление квантовых генераторов, в частности лазеров ,позволили достичь напряжённостей электрич. поля в Э. в., существенно изменяющих свойства сред, в к-рых происходит их распространение. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При распространении Э. в. в нелинейной среде (e и m зависят от E и H) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э. в. они обогащаются высшими гармониками и их форма постепенно искажается (см. Нелинейная оптика ).Напр., после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина к-рого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна ,характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывами) с их последующим плавным возвращением к первонач. величинам. Большинство нелинейных сред, в к-рых Э. в. распространяются без сильного поглощения, обладает значит. дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от неск. см до длинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с разл. скоростью и существ. искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии.

Э. в. разл. диапазонов l характеризуются разл. способами возбуждения и регистрации. Они по-разному взаимодействуют с веществом. Процессы излучения и поглощения Э. в. от самых длинных волн до ИК-излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оп-тич. диапазоне и тем более в диапазонах рентг. и g-лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов. Во мн. случаях эл--магн. излучение ведёт себя не как набор монохроматич. Э. в. с частотой со и волновым вектором k, а как поток квазичастиц-фотонов с энергией (2p/h)w и импульсом р=w/с. Волновые свойства проявляются, напр., в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные - в фотоэффекте и Комптона эффекте.

Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 10 изд., М., 1989; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 7 изд., М., 1988; их же, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982. В. В. Мигулин.

      Предметный указатель      >>   

www.femto.com.ua

---

• 
  Режимы работы
• 
  Если в квартире никто не прописан как платить за электроэнергию 2018
• 
  Защита от окисления меди
• 
  Разрешение на строительство газопровода среднего давления
• 
  Зачистки для кабеля
• 
  Таблица истинности логические операции
• 
  Какие цифровые устройства вам известны
• 
  Сварочный инвертор своими руками схемы
• 
  Расчет электрических нагрузок
• 
  Нет отопления в квартире куда жаловаться
• 
  Переделать в сетевой шуруповерт