Электромагнитные колебания и волны

Рассмотрим ещё раз получение индукционного тока при помощи рамки и подковообразного магнита. Как вы помните, при вращении рамки в однородном магнитном поле, в ней возникает индукционный ток. При этом стрелка гальванометра отклоняется то в одну то во вторую сторону. Это свидетельствует о том, что направление индукционного тока, как и его сила, непрерывно меняются от своего наибольшего значения, когда рамка с током расположена вдоль линий магнитной индукции, до нуля, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Так вот, ток, периодически меняющийся со временем как по модулю, так и по направлению, называется переменным током.

Именно переменный ток используется в настоящее время в осветительной сети наших домов, а также во многих отраслях промышленности.

Рассмотренный нами опыт представляет собой пример работы простейшего генератора электрического тока. В настоящее время переменный ток получают в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Только в этих генераторах вращается не обмотка, в которой индуцируется переменный ток, а электромагнит.

Как мы говорили, открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции имело огромное научное и практическое значение. Оно позволило совершить гигантский скачок в исследовании электромагнитных явлений. Однако в XIX веке новое явление вызывало больше вопросов, чем ответов. Например, было не понятно, каким образом под действием переменного магнитного поля возникает индукционный ток. Ведь хаотически движущиеся между узлами кристаллической решётки свободные электроны приходят в направленное движение только под действием электрического поля. А магнитное поле действует только на движущиеся заряды, что наглядно показали опыты Ампера.

Ответы на эти и другие вопросы были получены в 1865 году англичанином Джеймсом Максвеллом. Будучи больше теоретиком, нежели практиком, он показал, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическим током), либо переменными электрическими полями. В свою очередь, источниками электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и магнитные поля, изменяющиеся во времени. Такие электрические поля были названы им индукционными.

При этом, согласно теории Максвелла, индукционное электрическое поле имеет совсем другую структуру, чем поле электростатическое, так как оно не связано с какими-либо электрическими зарядами. Поэтому силовые линии этого поля не имеют ни начала, ни конца, и представляют собой некоторые замкнутые линии, похожие на линии магнитного поля. Напомним, что подобные поля в физике называют вихревыми.

Далее Максвелл предположил, что любое изменение напряжённости вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля. И этот процесс может повторяться до бесконечности, поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме. Таким образом возникает система изменяющихся и взаимно порождающих друг друга электрических и магнитных полей, охватывающих всё большие и большие области пространства. Эти тесно взаимосвязанные и порождающие друг друга поля образуют электромагнитное поле.

Сам Максвелл твёрдо верил в существование электромагнитного поля, хотя экспериментально его существование было подтверждено лишь спустя 22 года.

Одним из важных результатов, который вытекал из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Напомним, что под электромагнитной волной понимают процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как в них направления колебаний векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Позже было показано, что электромагнитным волнам присуще все характеристики обычных механических волн: амплитуда, длина волны, период и частота. А также соотношения между этими величинами. Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны также испытывают и отражение от препятствий. Но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

Сейчас мы точно знаем, что всё окружающее нас пространство окутано электромагнитными волнами различных частот. Их шкала необычайно широка, а применение — чрезвычайно многообразно.

В настоящее время все электромагнитные волны принято делить по длинам волн на шесть основных диапазонов. Их границы весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот могут отличаться проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

Например, инфракрасное или тепловое излучение играет важную роль в поддержании жизни на Земле.

Видимое излучение даёт нам информацию об окружающем мире и возможность ориентироваться в пространстве.

Такое хорошо всем знакомое явление, как загар, объясняется воздействием на кожу ультрафиолетового излучения — электромагнитных волн с очень малой длиной волны.

Рентгеновское излучение широко применяется в медицине. Но и его большие дозы могут серьёзно отразиться на здоровье человека.

А гамма-излучение, представляющее собой электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, используется для обнаружения дефектов в различных изделиях из металла, при консервировании продуктов и стерилизации медицинских материалов и оборудования.

Получение электромагнитных волн имеет огромное научное и практическое значение. Достаточно привести пример лишь одного диапазона — радиоволн: радиосвязь и телевидение, мобильная телефонная связь и радиолокация, радиоастрономия и средства космической связи и так далее.

Как мы уже упоминали, экспериментально обнаружили электромагнитные волны лишь спустя 22 года, после их теоретического обоснования. Впервые это удалось немецкому учёному Генриху Рудольфу Герцу в 1887 году. В опытах Герца ускоренное движение заряженных частиц осуществлялось с помощью специального разрядника, состоящего из двух металлических стержней с шарами на концах. Шарам сообщались большие разноимённые заряды, в результате чего между ними происходил электрический разряд. При этом в самих стержнях возникали электрические колебания.

Приёмное устройство состояло из проволочного витка с двумя шарами на концах. Приём электромагнитной волны наблюдался в виде маленькой искры, которая проскакивала между шарами.

Интересно, но сам Герц не видел практического применения открытых им электромагнитных волн, так как все удачные эксперименты проводились в очень малой области пространства — в пределах лабораторного стола. А для создания мощной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на больших расстояниях от излучающей её антенны, необходимо, чтобы частота волны была не меньше 0,1 МГц. В настоящее время для этих целей служат генераторы высокочастотных электромагнитных колебаний. Одной из основных частей такого генератора является колебательный контур — колебательная система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания.

Давайте вспомним, что электромагнитными колебаниями называют периодические изменения электрического и магнитных полей, происходящие в колебательном контуре.

Чтобы убедиться в их реальности давайте с вами соберём электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока, катушки индуктивности с большим числом витков, на которую в средней её части, поверх первичной обмотки намотана вторичная обмотка с малым числом витков, ключа и конденсатора.

Для тех кто забыл, напомним, что конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления электрического заряда и энергии электрического поля.

Итак, зарядим наш конденсатор, подключив его на некоторое время к источнику тока. А теперь перекинем ключ: стрелка гальванометра начала совершать колебания, фиксируя наличие переменного тока в катушке.

Теперь давайте подробно рассмотрим процесс разрядки конденсатора и проследим за происходящими превращениями энергии. Итак, пусть в начальный момент времени наш конденсатор заряжен, а между его обкладками существует электрическое поле. При замыкании цепи конденсатор начнёт разряжаться. Под действием электрического поля заряды начнут двигаться по виткам катушки, создавая в цепи ток, сила которого постепенно увеличивается. В результате, как мы знаем, в катушке возникнет ток самоиндукции, противодействующий росту тока во внешней цепи.

По мере разрядки конденсатора электрическое поле в нём будет ослабевать, а в катушке возникнет магнитное поле. В тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, магнитное поле катушки будет самым сильным. Это означает, что энергия электрического поля конденсатора полностью перейдёт в энергию магнитного поля катушки.

Хотя в этот момент электрическое поле в конденсаторе отсутствует, заряды некоторое время будут двигаться в цепи в прежнем направлении по инерции. Сила тока в цепи начнёт постепенно уменьшаться, так как ток самоиндукции меняется на противоположный, поддерживающий убывающий ток в цепи.

В результате конденсатор снова зарядится, но заряды обкладок поменяются местами. Ток на мгновение прекратится и вся энергия магнитного поля катушки превратиться обратно в энергию электрического поля конденсатора.

Далее явление повторится в обратном порядке пока конденсатор не окажется заряженным так же, как и в начальный момент времени.

Таким образом, завершилось полное колебание в контуре, и в дальнейшем процесс повторяется в уже рассмотренной нами последовательности. А если бы отсутствовали потери энергии, то колебания в контуре продолжались бы бесконечно долго, то есть были бы незатухающими. Такой колебательный контур называют идеальным колебательным контуром или контуром Томсона.

Минимальный промежуток времени, через который процесс в колебательном контуре полностью повторяется, называют периодом электромагнитных колебаний.

Формула для определения периода свободных электромагнитных колебаний была получена английским физиком Уильямом Томсоном в 1853 году, и в настоящее время носит его имя:

Из формулы видно, что период колебательного контура определяется параметрами составляющих его элементов: индуктивностью катушки и ёмкостью конденсатора.

В заключение отметим ещё одну важную особенность электромагнитных колебаний: если не пополнять извне заряды на обкладках конденсатора, то колебания довольно быстро прекратятся за счёт потерь энергии, идущей на нагревание проводников. А чтобы колебания не прекращались, необходимо к конденсатору подключить источник тока, напряжение которого изменяется периодически с определённой частотой, который и будет вбрасывать внутрь цепи новые порции энергии, не давая ей израсходоваться полностью. В этом случае в контуре будут существовать вынужденные электромагнитные колебания, происходящие с частотой, равной частоте изменения напряжения источника тока. Однако если частота переменного напряжения совпадёт с собственной частотой колебаний контура, то в цепи возникнет резонанс — явление, широко применяемое при передаче и приёме информации посредством электромагнитных волн (то есть в радиосвязи). Именно благодаря радиовещанию мы можем передавать и принимать звуковую информацию без помощи проводов.