Презентація до уроку "Утворення і поширення електромагнітних хвиль"

Утворення і поширення електромагнітних хвиль Тема «Електромагнітні хвилі»

Тому кому вдалося знайти ідею, яка б дала змогу проникнути трохи глибше у вічну тайну природи, дарована велика милість.

Історична довідка. Електромагнітне поле. Досліди Герца. Утворення електромагнітних хвиль. Властивості електромагнітних хвиль. План уроку

Найпліднішою спробою пояснення властивостей і походження електричних і магнітних полів з єдиних позицій виявилися теоретичні дослідження англійського фізика-теоретика Джеймса Клерка Максвелла, який у 1864 р. опуб-лікував працю «Динамічна теорія електромагнітного поля». Максвелл ввів у фізику поняття вихрового електричного поля і запропонував нове трактування закону електромагнітної індукції, відкритої Фарадеєм в 1831 році: будь-яка зміна магнітного поля породжує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, силові лінії якого замкнуті. Історисна довідка 1

А в середині 60-х років ХІХ століття Максвелл дійшов висновку, що існує і зворотний процес: змінне електричне поле викликає появу змінного магнітного поля (вихрового). Найбільш успішними були експериментальні дослідження талановитого німецького вченого-фізика Г. Р. Герц. Після багаторічних пошуків і досліджень він у 1888 р. опублікував результати своєї праці, де повідомляв, що експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль. Він також дослідив основні властивості електромагнітних хвиль. Історисна довідка 2

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. Електромагнітне поле 3

Сукупність нерозривно взаємопов'язаних змінних вихрових електричного і магнітного полів називають електромагнітним полем Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею. Електромагнітне поле 4

Електромагнітні хвилі є поперечними, оскільки в кожній точці простору електрична напруженість, магнітна індукція і швидкість поширення цих хвиль взаємно перпендикулярні. Графічно електромагні- тну хвилю можна зобразити у вигляді двох синусоїд. Джерелом електромагнітних хвиль виступає електрична частинка, яка рухається з прискоренням. Теоретично це довів Джеймс Максвелл у 1832 році, а дослідно підтвердив Генріх Герц у 1888 році. Електромагнітне поле 5

Для утворення інтенсивної електромагнітної хвилі необхідно створити електромагнітні коливання високої частоти. Змінний струм частотою 50 Гц випромінює електромагнітні хвилі. Виявити їх складно. Інтенсивність їх незначна. Необхідною умовою утворення інтенсивних електромагнітних хвиль являється висока частота (тисячі та мільйони герц) коливань. 6 Електромагнітне поле

Г. Герц у 1888 р. опублікував результати своєї праці, де повідомляв, що експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль. Він також дослідив основні властивості електромагнітних хвиль. 7 Досліди Г. Герца

Основною частиною експериментальної установки Г. Р. Герца був випромінювач у вигляді двох металевих стрижнів 1, з'єднаних із джерелом високої напруги 2. 8 Досліди Г. Герца Між стрижнями виникав іскровий розряд. Оскільки напруга на стрижні подавалася окремими імпульсами, то між кульками на кінцях стрижнів періодично відбувались іскрові розряди.

Це явище засвідчує, що в просторі між двома системами відбувається процес, внаслідок якого передається енергія. Дослідження цього процесу підтвердили, що він має всі ознаки хвилі. Для нього характерні явища інтерференції, дифракції, поляризації, які властиві лише хвильовим процесам. Г. Р. Герц навіть зміг виміряти довжину хвилі отриманого електромагнітного випромінювання, яка в дослідах приблизно дорівнювала 60 см. Вібратор Герца випромінює електромагнітну хвилю. Коливання у вібраторі Герца породжується іскрою. Досліди Г. Герца 9

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. Утворення електромагнітних хвиль 10

Коливальний контур із плоским конденсатором та котушкою — закритий: електричне поле в такому контурі зосереджено в конденсаторі, а магнітне поле – у котушці. Електромагнітне поле існує навколо контуру. Для того, щоб контур випромінював хвилі, необхідно збільшити простір, у якому утворюються електромагнітні хвилі. Утворення електромагнітних хвиль 11

Щоб добути електромагнітні хвилі, Г. Герц скористався простим пристроєм, який тепер називають вібратором Герца. Цей пристрій є відкритим коливальним контуром. До нього можна перейти від закритого, якщо поступово розсувати пластини конденсатора, зменшуючи їх площину і одночасно зменшуючи кількість витків котушки. Врешті маємо прямий провід. Це і є відкритий коливальний контур. Ємність і індуктивність вібратора Герца малі, тому частота коливань досить велика. Утворення електромагнітних хвиль 12

У відкритому контурі заряди не зосереджені на кінцях, а розміщені по всьому провіднику. Струм у даний момент часу в усіх перерізах провідника має однаковий напрям, але сила струму в різних перерізах провідника не однакова. На кінцях вона дорівнює нулю, а посередині досягає максимального значення. Електромагнітне поле охоплює весь простір біля контура. Утворення електромагнітних хвиль 13

Коливання у відкритому коливальному контурі є затухаючими. На це є дві причини: по-перше, внаслідок наявності в ньому активного опору; по-друге, через те, що вібратор випромінює електромагнітні хвилі й втрачає при цьому енергію. Після того, як коливання припиняються, джерело знов заряджає обидва проводи до настання пробою іскрового проміжку, і все повторюється спочатку. Щоб добути незатухаючі коливання у відкритому коливальному контурі, його індуктивно зв΄язують з коливальним контуром генератора на транзисторі або генераторів інших типів. Герц не тільки добув електромагнітні хвилі, а й виявив, що вони поводяться подібно до інших видів хвиль. Утворення електромагнітних хвиль 14

Для безперервного випромінювання електромагнітної хвилі необхідно створення незатухаючих електромагнітних коливань. Для цього необхідно мати генератор високої частоти та відкритий коливальний контур. Утворення електромагнітних хвиль Заземлений коливальний контур (антена) 15

Індуктивний зв’язок антени з коливальним контуром Утворення електромагнітних хвиль 16

Для того, щоб отримати незатухаючі електромагнітні коливання необхідно мати ГВЧ та випромінювач хвиль (вібратор або антену). Утворення електромагнітних хвиль 17

Електромагнітне випромінювання виникає в результаті прискореного руху заряджених частинок. Утворення електромагнітних хвиль 18

Коливні заряди випромінюють електромагнітні хвилі. При цьому, істотне значення має те, що швидкість руху таких зарядів з часом змінюється, тобто вони рухаються з прискоренням. Наявність прискорення – основна умова випромінювання електромагнітних хвиль. Електромагнітне поле помітно випромінюється не тільки під час коливань заряду, а й при будь-якій швидкій зміні його швидкості. Причому, інтенсивність випроміненої хвилі тим більша, чим більше прискорення, з яким рухається заряд. Утворення електромагнітних хвиль 19

Під час руху зарядженої частинки із сталою швидкістю утворені нею електричне і магнітне поля супроводжують цю частинку, наче шлейф. Коли частинка рухається прискорено, то проявляється властива електромагнітному полю інертність. Поле "відривається" від частинки і починає існувати самостійно у вигляді електромагнітної хвилі. Утворення електромагнітних хвиль 20

Енергія електромагнітного поля хвилі в даний момент часу змінюється періодично у просторі із зміною векторів напруженості і індукції. Біжуча хвиля несе з собою енергію, що переміщується зі швидкістю 3Ч108 м/с вздовж напряму поширення хвилі. Завдяки цьому енергія електромагнітної хвилі у будь-якій ділянці простору з часом періодично змінюється. Електромагнітні хвилі виникають внаслідок того, що змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле. А воно в свою чергу породжує змінне електричне поле. Утворення електромагнітних хвиль 21

Властивості електромагнітних хвиль найлегше вивчати, використовуючи передавач і приймач, які працюють на сантиметровому діапазоні Властивості електромагнітних хвиль виявились такими ж, як і властивості хвиль будь-якої іншої природи. Властивості електромагнітних хвиль 22

Досліди Герца і пізніше проведені експерименти показали, що електромагнітні хвилі мають такі властивості: Властивості електромагнітних хвиль Визначаються формою та розмірами контуру. Визначаються частотою коливань. В однорідному середовищі поширюються рівномірно і прямолінійно. Поширюються зі швидкістю світла. 23

Властивості електромагнітних хвиль Електромагнітні хвилі поглинаються середовищем. Відбиваються діелектриками, а ще краще провідниками, при цьому виконуються закони відбивання хвиль. Заломлюються. Фокусуються. зміна напрямку її розповсюдження відповідно до зміни швидкості 24

Властивості електромагнітних хвиль 9. Електромагнітні хвилі поперечні Е  В  v (коливання частинок відбувається перпендикулярно променю) (оскільки в кожній точці простору електрична напруженість, магнітна індукція і швидкість поширення цих хвиль взаємно перпендикулярні. Графічно електромагнітну хвилю можна зобразити у вигляді двох синусоїд. 25

Властивості електромагнітних хвиль Електромагнітні хвилі поляризовані, тобто коливання Е та В відбуваються у певній площині. Електромагнітні хвилі інтерферируються (додаються). Інтерференція хвиль – явище додавання хвиль від кількох когерентних джерел. 26

Властивості електромагнітних хвиль 12. Дифракція електромагнітних хвиль (огинання хвилею перешкоди, розміри якої порівняні з довжиною хвилі. Дифракція хвиль – заходження хвиль в область геометричної тіні. 27

Які явища засвідчують зв'язок між електричними і магнітними полями? У чому суть явища магнітоелектричної індукції? Які основні властивості електромагнітного поля? За яких умов електромагнітне поле виявляється лише як електричне поле зарядженого тіла? Коли можна одночасно виявити електричне і магнітне поля зарядженого тіла? Закріплення знань

Яка мета досліджень Г. Р. Герца? З яких частин складалася експериментальна установка Г. Р. Герца? Чому в дослідах Г. Р. Герца було використано електричну іскру? Які факти підтверджують хвильову природу випромінювання, відкритого Г. Р. Герцом? Що називають електромагнітною хвилею? Закріплення знань

Чому закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль? З якою метою застосовують відкритий коливальний контур? Як випромінюється електромагнітна хвиля? Як взаємно розміщені основні вектори в електромагнітній хвилі у хвильовій зоні?   Як розміщений вектор швидкості хвилі відносно векторів Е і В? Яка  роль коливального контура в процесі утворення  електромагнітної хвилі? Закріплення знань

Індуктивність коливального контуру дорівнює 0,5 мГн. Контур резонує на довжину хвилі 300 м. Визначити електроємність такого контуру. Опором контуру знехтувати. Відповідь: С = 51 пФ. Розв’язування задач

Визначити довжину хвилі, яка випромінюється коливальним контуром, складеним з котушки з індуктивністю L = 1,2 мГн та конденсатора, ємністю С=3·10-2 мкФ. Опір контура дуже малий. Розв’язування задач

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? На яку довжину хвилі настроєний коливальний контур, що складається з котушки індуктивністю 1,6 мГн і конденсатора ємністю 400 пФ? Розв’язування задач

Яку індуктивність повинна мати котушка, щоб разом із конденсатором ємністю 0,005 мкФ скласти контур, що резонує на електромагнітну хвилю завдовжки 500 м? Радіостанція працює на хвилі завдовжки 150 м. Яку ємність має конденсатор у коливальному контурі передавача, якщо індуктивність його котушки 0,2 мГн? Розв’язування задач

Розв’язування задач 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. 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?

Розв’язування задач 9. 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.

Домашнє завдання Підручник повторити § 34