Презентация на тему "Электромагнитные волны."

Содержание

• 
  Слайд 1

  Электромагнитные волны.

  Лекция 9

• 
  Слайд 2

  Электромагнитная теория

  В XIX веке развитие электромагнитной теории привело к предсказанию, а в последствии и экспериментальному подтверждению способности электромагнитных полей распространяться в пространстве. Это достижение открыло возможность создания новых средств связи: вначале беспроволочного телеграфа, затем радио и телевидения.

• 
  Слайд 3

  Электромагнитные волны

  Существование электромагнитных волн теоретически предсказал великий английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году.

• 
  Слайд 4

  Уравнения Максвелла.

  Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и показал, что все электрические и магнитные явления можно описать всего четырьмя уравнениями. Эти уравнения также фундаментальны, как и законы Ньютона. На их основе было предсказано существование электромагнитных волн.

• 
  Слайд 5

   1. Теорема Гаусса для электрического поля.

  Поток вектора напряженности электрического поля через площадку площади S равен , где n – нормаль к площадке. Обозначим поток напряженности электрического поля через любую замкнутую поверхность S Тогда теорема Гаусса для электрического поля имеет вид: (первое уравнение Максвелла).

• 
  Слайд 6

  2. Теорема Гаусса для магнитного поля.

  Поток вектора магнитной индукции B через произвольную замкнутую поверхность обозначим аналогично потоку вектора напряженности E Тогда теорема Гаусса для магнитного поля представляется в виде второе уравнение Максвелла .

• 
  Слайд 7

  3. Закон электромагнитной индукции.

  Как известно, вследствие явления электромагнитной индукции изменение магнитного потока порождает вихревое электрическое поле. ЭДС индукции Eи, по определению, связана с работой сторонних сил по переносу электрического заряда qпо произвольному замкнутому контуру L.

• 
  Слайд 8
  

  Таким образом, ЭДС индукции равна циркуляции CEвектора напряженность вихревого электрического поля E. В результате закон электромагнитной индукции можно записать в виде: (третье уравнение Максвелла).

• 
  Слайд 9

   4. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.

  Циркуляция вектора Bв вакууме магнитного поля постоянных токов по любому замкнутому контуру L прямо пропорциональна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора магнитной индукции, добавив в правую часть уравнения еще одно слагаемое 0Iсмещ., где Iсмещ. так называемый, ток смещения, связанный с изменением электрического поля.

• 
  Слайд 10

  Источники магнитного поля

  Максвелл предположил, что источником магнитного поля может служить не только электрический ток, но и изменяющееся во времени электрическое поле (по аналогии с тем, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле).

• 
  Слайд 11

  Ток смещения

  Например, через конденсатор постоянный ток не течет, однако может течь переменный ток разряда, связанный с изменением электрического поля внутри конденсатора, т.е. “ток смещения”, который равен

• 
  Слайд 12
  

  Здесь q изменяющийся заряд конденсатора, который выражается через напряженность E электрического поля внутри конденсатора. где S– площадь пластин конденсатора. Т.к. вне конденсатора напряженность электрического поля E = 0, то поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность, внутри которой лежит одно из пластин конденсатора . Тогда ток смещения равен

• 
  Слайд 13

  Четвертое уравнение Максвелла

  , 

• 
  Слайд 14

  Физический смысл уравнений Максвелла.

  1 уравнение Максвеллаявляется обобщением закона Кулона. Оно связывает электрическое поле с его источниками – электрическими зарядами. Это основное уравнение электростатики.

• 
  Слайд 15
  

  2 уравнение Максвелла– есть математическое выражение факта отсутствия изолированных магнитных зарядов. Это основное уравнение магнитостатики.

• 
  Слайд 16
  

  3 уравнение Максвелла.Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

• 
  Слайд 17
  

  4 уравнение Максвелла.Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Уравнения Максвелла описывают всю совокупность электрических и магнитных явлений, а также оптические явления.

• 
  Слайд 18

  Следствия из уравнений Максвелла.

  1.Существует особая форма материи – электромагнитное поле, характеризующееся двумя векторами: E и B. В частном случае неизменных (стационарных) полей имеется либо только электрическое поле (B = 0, E 0), либо только магнитное поле (E = 0, B 0).

• 
  Слайд 19
  

  2. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Это следует из третьего и четвертого уравнений Максвелла, т.к. переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое в свою очередь порождает переменное электрическое поле, и т.д., т.е. происходит периодический или волнообразный процесс. В электромагнитной волне происходят колебания полей, а не вещества, как в случае механических волн.

• 
  Слайд 20
  

  3. Электромагнитные волны – поперечные волны, т.е. векторы E и Bв электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны При этом векторы V, E и B образуют правую тройку. Уравнение электромагнитной волны, изображенной на рис. имеет вид:

• 
  Слайд 21

  Связь векторов В и Е

• 
  Слайд 22
  

  Т.к. электромагнитное поле в волне не связано с источником излучения, то векторы E и B могут изменяться в пространстве, как по величине, так и по направлению, при этом векторы E и B остаются взаимно перпендикулярными. Если каждый из векторов E и B остается все время в одной плоскости, то такая волна называется линейно поляризованной (плоско поляризованной). Плоскость, проходящая через векторы V и E называется плоскостью поляризации. Возможны также и другие виды поляризации, например, циркулярная поляризация, когда вектор E вращается по кругу.

• 
  Слайд 23

  Следствия из уравнений Максвелла.

  4. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна Подставляя в эту формулу значения электрической и магнитной постоянных, получим

• 
  Слайд 24
  

  Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света c. Отсюда Максвелл сделал вывод, что свет – это электромагнитная волна. Скорость электромагнитной волны в среде зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

• 
  Слайд 25
  

  Приравнивая эти выражения, получим связь между напряженностью электрического поля Eи индукцией Bмагнитного поля в электромагнитной волне. При распространении электромагнитной волны в среде эта связь имеет вид:

• 
  Слайд 26
  

  5. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: . В вакууме объемные плотности электрической и магнитной энергии вычисляются по формулам: и .

• 
  Слайд 27
  

  6. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (см. рис. 4.1.1), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δtчерез площадку протечет энергия ΔWэм, равная

• 
  Слайд 28
  

  Плотностью потокаэнергии или интенсивностьюI называется электромагнитная энергия, переносимая волной за единицу времени через поверхность единичной площади: Воспользуемся формулами для плотности энергии и скорости электромагнитной волны и получим следующие выражения для плотности потока энергии:

• 
  Слайд 29
  

  Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора I, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен плотности потока энергии, вычисляемой по формуле. Этот вектор называют вектором Умова-Пойнтинга(1885 г.). Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).

• 
  Слайд 30

  Следствия из уравнений Максвелла.

  7. Электромагнитные волны имеют такие же свойства, как и механические волны. Поэтому для них характерны такие явления, как отражение, преломление, интерференция и дифракция.

• 
  Слайд 31
  

  8. Электромагнитные волны оказывают давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется на основе теории Максвелла тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества.

• 
  Слайд 32
  

  Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла. Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс.

• 
  Слайд 33

  §2. Генерация электромагнитных волн.

• 
  Слайд 34
  

  Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было получено спустя 10 лет после смерти Максвелла в 1887 году. Генрих Герц поставил ряд опытов, из которых было доказано существование электромагнитных волн и изучены их свойства, такие как  прямолинейность распространения, поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п.

• 
  Слайд 35
  

  Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

• 
  Слайд 36

  Опыт Герца. Вибратор Герца

• 
  Слайд 37
  

  Вибратор Герца это, по сути, открытый колебательный контур.

• 
  Слайд 38

  Излучение электромагнитных волн открытым колебательным контуром

• 
  Слайд 39
  
• 
  Слайд 40
  
• 
  Слайд 41

  Выводы

  1. Электромагнитные волны – поперечные. 2. Электромагнитные волны генерируются колеблющимися, т.е. движущимися с ускорением электрическими зарядами. Справедливо и более общее утверждение: движущийся с ускорением электрический заряд излучает электромагнитные волны.

• 
  Слайд 42

  §3. Шкала электромагнитных волн.

• 
  Слайд 43

  радиоволны

  1.Радиоволнами называются электромагнитные волны, длина волны которых в вакууме  > 510-5 м (соответственно частота  1 км ( 3107 Гц).

• 
  Слайд 44

  Оптическое излучение

  2.Оптическим излучением, или светом, называются электромагнитные волны, длины которых в вакууме лежат в интервале  = 10 нм – 1 мм (1 нм = 10-9 м). Оптическое излучение разделяется на а) инфракрасное излучение– электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами, длины волн которого в вакууме лежат в пределах  = 770 нм – 1 мм; б) видимое излучение (видимый свет) – электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме  = 380 нм – 770 нм , которое способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе; в) ультрафиолетовое излучение– электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме  = 10 нм – 380 нм. Ультрафиолетовое излучение получается с помощью тлеющего разряда, обычно в парах ртути.

• 
  Слайд 45
  
• 
  Слайд 46

  Рентгеновское излучение

  3.Рентгеновским излучениемназывается электромагнитное излучение, которое возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества и характеризуется длинами волн в вакууме, лежащими в диапазоне  =  0,01 нм – 10 нм.

• 
  Слайд 47
  
• 
  Слайд 48

  Гамма-излучение

  Гамма-излучением (или гамма-лучами) называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме 

• 
  Слайд 49