Wie groß ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Schwingungen? Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum. Ableitung der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen aus der Maxwellschen Theorie

), das das elektromagnetische Feld beschreibt, zeigte theoretisch, dass das elektromagnetische Feld im Vakuum ohne Quellen – Ladungen und Ströme – existieren kann. Ein Feld ohne Quellen hat die Form von Wellen, die sich mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreiten, die im Vakuum der Lichtgeschwindigkeit entspricht: Mit= 299792458±1,2 m/s. Das Zusammentreffen der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum mit der zuvor gemessenen Lichtgeschwindigkeit ließ Maxwell den Schluss ziehen, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Eine ähnliche Schlussfolgerung bildete später die Grundlage elektromagnetische Theorie Sweta.

Im Jahr 1888 erhielt die Theorie der elektromagnetischen Wellen in den Experimenten von G. Hertz eine experimentelle Bestätigung. Quelle verwenden Hochspannung und Vibratoren (siehe Hertz-Vibrator) konnte Hertz subtile Experimente durchführen, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle und ihre Länge zu bestimmen. Es wurde experimentell bestätigt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, was bewiesen hat elektromagnetische Natur Sweta.

1. Gleichungen elektromagnetischer Wellen. Eigenschaften elektromagnetischer Wellen.

2. Energieeigenschaften Elektromagnetische Welle.

3. Elektromagnetische Wellenskala.

4. Wirkung elektromagnetischer Wellen verschiedene Bereiche pro Person.

5. Grundkonzepte und Formeln.

6. Aufgaben.

Elektrische und magnetische Wechselfelder können nicht unabhängig voneinander existieren. Es ist unmöglich, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, ohne gleichzeitig ein elektrisches Wechselfeld zu erzeugen, und umgekehrt.

Das elektromagnetische Feld ist eine miteinander verbundene Schwingung der elektrischen (E) und magnetischen (B) Felder. Verbreitung einer Single elektromagnetisches Feld im Weltraum erfolgt durch elektromagnetische Wellen.

16.1. Gleichungen für elektromagnetische Wellen.

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Welle- elektromagnetische Schwingungen, die sich im Raum ausbreiten und Energie übertragen.

Merkmale elektromagnetischer Wellen, die Gesetze ihrer Anregung und Ausbreitung werden durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben (die in dieser Kurs werden nicht berücksichtigt). Wenn es in irgendeiner Region des Weltraums welche gibt elektrische Aufladungen und Ströme, deren zeitliche Veränderung zur Emission elektromagnetischer Wellen führt. Die Beschreibung ihrer Verteilung ähnelt der Beschreibung mechanische Wellen.

Wenn das Medium homogen ist und sich die Welle entlang der X-Achse mit der Geschwindigkeit v ausbreitet, dann die elektrische (E) und magnetische (B) Komponente

Felder an jedem Punkt des Mediums ändern sich nach einem harmonischen Gesetz mit derselben Kreisfrequenz (ω) und in derselben Phase (ebene Wellengleichung):

Dabei ist x die Koordinate des Punktes und t die Zeit.

Die Vektoren B und E stehen zueinander senkrecht und jeder von ihnen steht senkrecht zur Richtung der Wellenausbreitung (X-Achse). Daher sind elektromagnetische Wellen transversal (Abb. 16.1).

Reis. 16.1. Gegenseitige Anordnung der Vektoren E, B in einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang der X-Achse ausbreitet

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum entspricht der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts (dies diente als Grundlage für Maxwells Schöpfung). elektromagnetische Theorie des Lichts).

Bedenkt, dass absoluter Indikator Wenn die Brechung des Mediums gleich n = c/v ist, kann ein Zusammenhang zwischen η, ε, μ:

Eigenschaften Elektromagnetische Wellen:

Quer;

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum hängt nicht von der Frequenz ab;

Teilweise Absorption von Wellen durch ein Dielektrikum;

Praktisch Totalreflexion Wellen aus Metallen;

Brechung von Wellen an der Grenze von Dielektrika;

Interferenz, Wellenbeugung.

16.2. Energieeigenschaften einer elektromagnetischen Welle

Die Energieeigenschaften elektromagnetischer Wellen stimmen in ihrer Bedeutung mit den Energieeigenschaften mechanischer Wellen überein (Abschnitt 2.4).

Das Medium, in dem sich die Welle ausbreitet, verfügt über elektromagnetische Energie, die aus den Energien des elektrischen und magnetischen Feldes besteht.

Volumetrische Energiedichte elektromagnetisches Feld (w) – die Gesamtenergie der elektrischen und magnetischen Felder pro Volumeneinheit des Mediums:

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen geht ebenso wie die Ausbreitung mechanischer Wellen mit der Übertragung von Energie einher.

Energiefluss(F) - Wert, gleich Energie, übertragen von einer elektromagnetischen Welle durch eine gegebene Oberfläche pro Zeiteinheit:

Am Rande der Erdatmosphäre jährlicher Durchschnitt ICH Sonnenlicht beträgt 1.370 kW/m2 (Solarkonstante). Diese Intensität gewährleistet alle Prozesse, die aufgrund der Sonnenenergie ablaufen.

16.3. Elektromagnetische Wellenwaage

Aus Maxwells Theorie folgt, dass verschiedene elektromagnetische Wellen eine gemeinsame Natur haben. Allerdings unterscheiden sich die Eigenschaften von Wellen unterschiedlicher Frequenz erheblich. Akzeptiert in der Physik nächste Klassifizierung Elektromagnetische Wellen. Die gesamte Skala ist herkömmlicherweise in mehrere in der Tabelle angegebene Bereiche unterteilt. 16.1 und in Abb. 16.2.

Tabelle 16.1. Klassifizierung elektromagnetischer Wellen

Ende des Tisches. 16.1

Reis. 16.2. Elektromagnetische Wellenwaage

Bitte beachten Sie, dass jeder Bereich (außer sichtbares Licht) hat einen Überlappungsbereich mit benachbarten Bereichen. Dies liegt daran, dass Wellen gleicher Länge in unterschiedlichen Prozessen entstehen können.

16.4. Der Einfluss von Wellen unterschiedlicher Reichweite auf den Menschen. Radiowellen

Radiowellen erzeugt von elektronische Geräte Die Länge reicht von Millimetern bis zu mehreren Kilometern.

Lange und mittlere Radiowellen (λ >100 m) interagieren praktisch nicht mit biologischen Objekten. IN medizinische Zwecke sie werden nicht verwendet.

Mit abnehmender Wellenlänge nimmt die biologische Aktivität von Radiowellen zu. Wellen im HF-Bereich (10 3 -10 m) werden von biologischen Geweben merklich absorbiert, und für UHF- (10 -1 m) und Mikrowellenbereiche (1-10 -3 m) wird diese Absorption sehr wichtig. Der UHF-Bereich wird in der Medizin zur Tiefenerwärmung von Gewebe eingesetzt.

Stoffe mit einem hohen Wasseranteil absorbieren solche Wellen besonders effektiv, was zu einer starken Erwärmung führt. Eine starke Hitzeentwicklung ist gefährlich für Organe und Gewebe, die schlecht durchblutet sind, beispielsweise die Linse. So kann Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von 10-12 cm die Temperatur auf der Rückseite der Linse um 20 °C erhöhen.

Infrarotstrahlung

Diese Strahlung wird von allen erhitzten Körpern abgegeben. Die Moleküle, aus denen die menschliche Haut besteht, „schwingen“ bei Infrarotfrequenzen mit; daher ist es diese Strahlung, die überwiegend absorbiert wird und dadurch den Menschen erwärmt.

Sichtbares Licht

Sichtbares Licht macht bis zu 48 % der Sonnenstrahlung und 15 % der Sonnenstrahlung aus künstliche Quellen. Sichtbares Licht ist für das normale menschliche Leben notwendig – mit seiner Hilfe erhält der Körper über 90 % der Informationen darüber Außenwelt. Der Bereich des sichtbaren Lichts ist in Teilbereiche unterteilt, die den Primärfarben entsprechen (Tabelle 16.2).

Tabelle 16.2. Wellenlängen der Primärfarben des sichtbaren Lichts

UV-Strahlung

Region UV-Strahlung beginnt am violetten Rand des sichtbaren Lichts und überlagert sich mit langwelliger Röntgenstrahlung. UV-Strahlung hat eine spürbare Wirkung auf die Haut und löst photochemische und photobiologische Reaktionen aus.

Röntgenstrahlung Undγ -Strahlung

In der Medizin verwendete Röntgenstrahlen werden mithilfe von Röntgenröhren erzeugt. Die Quelle der Gammastrahlung ist radioaktive Isotope. Ihre Eigenschaften werden in den Vorlesungen „Röntgenstrahlung“ und „Radioaktivität“ ausführlich besprochen.

16.5. Grundlegende Konzepte und Formeln

Fortsetzung der Tabelle

Ende der Tabelle

16.6. Aufgaben

1. Die Station arbeitet bei einer Wellenlänge von 30 m. Wie viele Schwingungen der Trägerfrequenz treten während einer Periode auf Schallschwingungen mit einer Frequenz von 5 kHz?

Antwort: 2*10 3 .

2. Auf welcher Frequenz senden Schiffe ein Notsignal, wenn laut internationaler Vereinbarung die Funkwellenlänge SOS gleich 600 m?

Antwort: 500 kgc.

Lösungλ = c /ν. Antwort: 240 m.

4. In der Physiotherapie werden häufig elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 460 MHz eingesetzt. Bestimmen Sie die Wellenlänge im freien Raum (ε = 1) und in Weichteile (ε = 80).

Lösung

Da für Dia- und Paramagnete μ ≈1 gilt, dann λ = c /(V√ε). Antwort: 0,7 m; 0,1 m.

1) hängt von der Frequenz ab

2) hängt von der Wellenlänge ab

3) hängt von der Amplitude elektrischer und magnetischer Felder ab

4) ist konstanter Wert

5. Wenn sich elektromagnetische Wellen im Vakuum ausbreiten, kommt es zu einer Übertragung

1) Energie 2) Impuls 3) Energie und Impuls 4) weder Energie noch Impuls

6. Im Schwingkreis eines Funkempfängers entsteht eine Resonanz, wenn

1) reaktiv und aktiver Widerstand Schwingkreis sind gleich

2) Die Frequenz der empfangenen elektromagnetischen Wellen ist größer als die Eigenfrequenz des Stromkreises

3) Die Frequenz der empfangenen elektromagnetischen Wellen entspricht der Eigenfrequenz des Stromkreises

4) Die Frequenz der empfangenen elektromagnetischen Wellen ist geringer als die Eigenfrequenz des Stromkreises

7. Zum Einrichten Schwingkreis mehr als einen Termin lange Wellen, notwendig:

1) Bringen Sie die Kondensatorplatten näher zusammen

2) Bewegen Sie die Kondensatorplatten auseinander

3) Erhöhen Sie die Ladung des Kondensators

4) Reduzieren Sie die Ladung des Kondensators

8. Zwischen den Bedingungen der Ausbreitung von Radiowellen auf der Erde und dem Mond

1) Es gibt Unterschiede, weil Der Mond hat kein Magnetfeld

2) Es gibt Unterschiede, weil Auf dem Mond gibt es keine Ionosphäre

3) Es gibt Unterschiede, weil Beschleunigung freier Fall weniger auf dem Mond

4) kein Unterschied

9. Der Radiosender arbeitet mit einer Frequenz von 1,5 kHz. Die Länge der Radiowelle (in km) beträgt...

10. Geben Sie die richtige Antwort an. In einer elektromagnetischen Welle, Vektor E...

A. parallel zu B;

B. ist antiparallel zu B;

B. Senkrecht zu B gerichtet.

11. Eine elektromagnetische Welle ist eine miteinander verbundene Schwingung ...

A. Elektronen;

B. Spannungsvektor elektrisches Feld E und der Magnetfeldinduktionsvektor;

V. Protonen.

12. Eine elektromagnetische Welle ist...

A. längs; B. quer;

V. in der Luft ist längs und in Feststoffe quer;

G. ist in Luft quer und in Festkörpern in Längsrichtung.

13. Bestimmen Sie die Schwingungsfrequenz des Intensitätsvektors E einer elektromagnetischen Welle in Luft, deren Länge 2 cm beträgt.

A. 1,5*10 10 Hz; B. 1,5*10 8 Hz; V. 6*10 6 Hz; G. 10 8 Hz.

14. Der auf dem Satellitenschiff Wostok installierte Funksender arbeitete mit einer Frequenz von 20 MHz. Bei welcher Wellenlänge wurde es betrieben?

A. 60 m; B. 120 m; H. 15 m; G. 1,5 m.

15. Bestimmen Sie den Zeitraum elektrische Schwingungen in einem Stromkreis, der elektromagnetische Wellen mit einer Länge von 450 m aussendet.

16. 150 µs; B. 15 μs; V. 135 µs; G. 1,5 µs.

17. Der Eingangsschwingkreis eines Funkempfängers besteht aus einem Kondensator mit einer Kapazität von 25 nF und einer Spule mit einer Induktivität von 0,1 μH. Auf welche Wellenlänge ist der Funkempfänger abgestimmt?

A. 94,2 m; B. 31,2 m; H. 31,2 mm; G. 942 m.

18. Elektromagnetische Wechselwirkung breitet sich im Vakuum aus

mit Geschwindigkeit... (s = 3*10 8 m/s)

19. Geben Sie die falsche Antwort an. In einer elektromagnetischen Welle...

A. Vektor E schwingt senkrecht zu B und v;

B. Vektor B schwingt senkrecht zu E und v;

B. Vektor E schwingt parallel zu B und senkrecht zu v.

20. Unter welchen Bedingungen strahlt eine bewegte elektrische Ladung elektromagnetische Wellen aus?

A. Nur wenn harmonische Schwingungen;

B. Nur bei Bewegung im Kreis;

B. Bei jeder Bewegung mit hohe Geschwindigkeit;

D. Bei jeder Bewegung mit Beschleunigung.

21. Wie lang ist die Ausbreitungsdauer einer elektromagnetischen Welle in der Luft, wenn die Schwingungsdauer T = 0,01 μs beträgt?

A. 1 m; B. 3 m; Ö. 100 m; G. 300 m.

22. Auf welcher Frequenz senden Schiffe SOS-Notsignale, wenn laut internationalem Abkommen die Länge der Funkwellen 600 m betragen soll?

A. 2 MHz; B. 0,5 MHz; V. 1,5 MHz; G. 6 MHz.

23. Im Freien elektromagnetischer Stromkreis Elektrische Schwingungen treten mit einer Frequenz von 150 kHz auf. Bestimmen Sie die Länge der elektromagnetischen Welle, die von diesem Stromkreis ausgesendet wird.

Ziel der Arbeit: Machen Sie sich mit dem Entstehungsprozess einer elektromagnetischen Welle und ihrer Ausbreitung in einer Zweidrahtleitung vertraut, bestimmen Sie die Wellenlänge.

Ausrüstung: Zweidrahtleitung, 150-MHz-Generator, Empfangsvibrator, Lineal.

THEORETISCHE EINFÜHRUNG

Eine elektromagnetische Welle ist der Prozess der Ausbreitung magnetischer und elektrischer Felder im Raum, die sich gegenseitig ineinander umwandeln. Die Existenz elektromagnetischer Wellen wurde von Maxwell theoretisch vorhergesagt, basierend auf der Lösung eines Gleichungssystems für elektrische und magnetische Felder. Im Vakuum, in dem es weder Leitungsströme noch elektrische Ladungen gibt, haben sie die Form

Die erste Gleichung ist das transformierte Gesetz Elektromagnetische Induktion Faraday: induzierte EMK, d. h. die Zirkulation der elektrischen Feldstärke entlang des Stromkreises ist gleich der Änderungsrate magnetischer Fluss , die Oberfläche der Kontur durchdringen, wo . Nach Maxwells Hypothese, wann immer sich die Induktion ändert IN Magnetfeld entsteht im Raum ein elektrisches Wirbelfeld. Wenn der Stromkreis leitend ist, dann induzierter Strom. Feldlinien des elektrischen Wirbelfeldes im Gegensatz dazu elektrostatisches Feld geschlossen.

Die zweite Gleichung von Maxwell ist das transformierte Gesamtstromgesetz: Die Zirkulation der Magnetfeldinduktion entlang des Stromkreises ist proportional zur Änderungsrate des Verschiebungsstroms. Nach Maxwells Hypothese der Verschiebungsstrom gleich der Geschwindigkeit Veränderungen im Spannungsfluss durch die Oberfläche der Kontur. Verschiebungsströme gibt es in Dielektrika und auch im Vakuum. Wie der Strom in Leitern Wechselstrom Verschiebung hat die Fähigkeit, im Raum ein Magnetfeld zu induzieren.

Die dritte und vierte Gleichung sind die Gleichungen des Gaußschen Theorems für elektrische und magnetische Felder im Vakuum ohne Ladungen. Nach dem Satz ist der Fluss von Spannungsvektoren E oder Induktion IN durch jede geschlossene Fläche ist Null.

Wenn in einem bestimmten Bereich des Raums ein sich änderndes elektrisches Feld auftritt, induziert es nach den Maxwell-Gleichungen ein magnetisches Wechselfeld in der Nähe, das wiederum in benachbarten Bereichen des Raums ein wechselndes elektrisches Wirbelfeld induziert und das ursprüngliche Feld schwächt. Dadurch verschwindet das ursprüngliche elektrische Feld, erscheint aber weiter von der Quelle entfernt. Dadurch breitet sich eine elektromagnetische Welle von der Quelle elektrischer Schwingungen aus.

Maxwell, Lösung der Gleichungen (1) und (2), erhalten Wellengleichung. Es stellte sich heraus, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum m/s und stimmt betragsmäßig mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überein.

Der Emitter elektromagnetischer Wellen kann ein offener Schwingkreis sein, bei dem die Kondensatorplatten so weit voneinander entfernt sind, dass das elektrische Wechselfeld nicht innerhalb des Stromkreises, sondern außerhalb liegt (Abb. 1). Strahlung ist im Hochfrequenzbereich am wirksamsten. Zu diesem Zweck Kapazität MIT und Induktivität L die Konturen sollten klein sein (nach Thomsons Formel). ).

Wenn die Platten auseinandergespreizt werden und die Anzahl der Windungen verringert wird, verwandelt sich die Kontur in einen Stab. Der Emitter in Form eines Stabes wird Hertz-Vibrator genannt. In einem Vibrator schwingt die elektrische Ladung mit einer Frequenz von bis zu mehreren hundert MHz und erzeugt so schnell variierende elektrische und magnetische Felder im Raum. Von ihm aus breiten sich elektromagnetische Wellen im Weltraum aus.

Reis. 1

B

IN

E

E

IN

IN

E

→

→

→

→

→

→

→

→

Um die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen gerichtet zu gestalten, werden entweder Antennen mehrerer Vibratoren unter Ausnutzung des Interferenzphänomens oder eine Zweidrahtleitung verwendet. Eine Zweidrahtleitung besteht aus zwei parallelen Drähten. In der Nähe eines Endes befindet sich ein strahlender Vibrator eines Hochfrequenzgenerators (Abb. 2).

Lassen Sie irgendwann am Ende einer Zweidrahtleitung (Punkt A) Es entsteht ein ansteigendes elektrisches Feld mit zunehmender Intensität E 1, nach oben gerichtet (Abb. 2). Der Verschiebungsstrom, proportional zu , wird nach oben gerichtet. Es induziert ein zunehmendes Magnetfeld um sich herum IN 1, deren Kraftlinien nach der Bohrerregel in der Draufsicht gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Kreise sind. Dies ist ein zunehmendes Magnetfeld IN 1 induziert in der Gegend MIT elektrisches Feld mit Intensität E 2, deren Feldlinien gegen den Uhrzeigersinn gerichtet sind. Aufgrund der Anwesenheit von Drähten Stromleitung geht nicht in den Raum hinter den Drähten, und der Verschiebungsstrom wird durch einen Leitungsstrom durch sie geschlossen J. Nach dem Gesetz der Erhaltung der Spannungsenergie E 1 und E 2 und Induktion IN 1 und IN 2 sind gleich. Am Anfang der Linie in der Gegend A sie kompensieren sich gegenseitig. Die elektrischen und magnetischen Felder werden dort verschwinden, aber weiter vom Anfang der Linie entfernt in der Region auftauchen MIT, dann in D usw. Ein elektromagnetischer Impuls bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit entlang einer Zweidrahtleitung. Spannungsvektoren E, Induktion IN synchron und mit dem Geschwindigkeitsvektor ändern V bilden ein rechtes Triplett von Vektoren.

Die Zweidrahtleitung ist nicht endlos. Am Ende der Leitung wird eine elektromagnetische Welle reflektiert. Die Gleichungen für wandernde und reflektierte Wellen haben die Form

E 1 =E 0cos( w t−ky);(5)

E 2 =E 0cos( w t+ky). (6)

Hier E 0 – Amplitude der elektrischen Feldstärke; w – zyklische Frequenz; – Wellenvektor; l – Wellenlänge;

j– Koordinate vom Anfang der Linie.

E 1

IN 2

E 2

E

V

IN

Vibrator

J

J

IN 1

E 3

→

→

→

→

→

→

→

→

E 1

Im gesamten Raumbereich zwischen den Knoten hat der elektrische Feldstärkevektor die gleiche Richtung. Beim Übergang durch einen Knoten zu einem benachbarten Bereich ändert der Spannungsvektor die Richtung in die entgegengesetzte Richtung. Knoten unterteilen den Raum in isolierte Zonen, die schwach Energie austauschen.

Bei der Messung der Wellenlänge mit der Stehwellenmethode wird der Abstand zwischen den Knoten der elektrischen Feldstärke bestimmt. Am Anfang der Zweidrahtleitung befindet sich ein Strahlungsvibrator, der induktiv an einen Röhrengenerator gekoppelt ist Hochfrequenz– 150 MHz. Ein Empfangsvibrator mit einer Glühbirne als Anzeige bewegt sich entlang der Zweidrahtleitung. Der Empfangsvibrator schließt die Zweidrahtleitung kurz und die elektrische Feldstärke um ihn herum sinkt auf Null. Aber es fließt ein elektrischer Strom durch ihn hindurch. Die Stromstärke ist am größten, wenn entlang des kurzgeschlossenen Abschnitts eine stehende Welle auftritt. In diesem Fall muss die Bedingung erfüllt sein: Am Anfang der Zweidrahtleitung befindet sich ein Spannungsbauch und am Empfangsvibrator ein Knoten. Die Glühbirne leuchtet zum ersten Mal auf, wenn sich der Empfangsvibrator l/4 vom Zeilenanfang entfernt befindet und dann alle Halbwellen l/2 verschoben.

ABSCHLUSS DER ARBEIT

1. Schließen Sie die Stromversorgung des Generators an ein 220-V-Netz an. Nachdem die Generatorlampen aufgewärmt sind, sollte die Glühbirne am Empfangsvibrator, der sich an der Wand in der Nähe des Senders befindet, aufleuchten.

2. Nehmen Sie den Empfangsvibrator in die Hand und platzieren Sie ihn über der Zweidrahtleitung. Bewegen Sie den Vibrator langsam entlang der Linie. Markieren Sie mit Ringen an den Leitungsdrähten die Stellen, an denen die Glühbirne am hellsten brennt. Nehmen Sie mindestens sechs Mal Messungen vor.

Schalten Sie den Generator aus.

3. Messen Sie die Abstände zwischen benachbarten Ringen. Schreiben Sie es in die Tabelle. Der Abstand vom Anfang der Linie bis zum ersten Ring, gleich l/4, wird nicht aufgezeichnet. Achten Sie darauf, dass alle Abstände ungefähr gleich sind.

N
D L, M

4. Machen Sie Berechnungen. Bestimmen Sie das arithmetische Mittel der Entfernungen < D L> zwischen benachbarten Knoten. Bestimmen Sie die durchschnittliche Wellenlänge l> = 2< D L>.

5. Bestimmen Sie die durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen < V>=N, Wo N=150 MHz = 150∙10 6 Hz – Generatorfrequenz.

6. Bewerten zufälliger Fehler Messungen: , wobei der zufällige Fehler bei der Wellenlängenmessung anhand der Formel geschätzt wird

. (8)

7. Schreiben Sie die Antwort in das Formular V=<V>± dV, R= 0,90. Vergleichen Sie das Ergebnis mit der Lichtgeschwindigkeit.

Schlussfolgerungen.

Kontrollfragen

1. Schreiben Sie die Maxwell-Gleichungen auf und erklären Sie ihre Bedeutung.

2. Definieren Sie eine elektromagnetische Welle. Warum wird ein Schwingkreis in einen Vibrator umgewandelt, der elektromagnetische Wellen aussendet?

3. Erklären Sie den Verteilungsprozess elektromagnetischer Puls entlang einer Zweidrahtleitung.

4. Leiten Sie die Gleichung her stehende Welle. Definieren Sie einen Schwingungsbauch und einen Knoten einer stehenden Welle.

5. Erklären Sie den Grund, warum das Licht des Empfangsvibrators aufleuchtet, wenn er entlang einer Zweidrahtleitung verschoben wird.

6. Erklären Sie die Methode zur Bestimmung der Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle.

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Erstellungsdatum der Seite: 04.04.2017

Erstellte die Theorie des elektromagnetischen Feldes (Maxwells Theorie). Sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen und deren Ausbreitung im Raum mit Lichtgeschwindigkeit voraus.

Ladung: Laut Maxwell muss jede elektrische Ladung elektromagnetische Wellen aussenden. Eine ruhende Ladung (wie auch eine Ladung, die sich gleichmäßig und geradlinig bewegt) sendet keine elektromagnetischen Wellen aus.

Quellen elektromagnetischer Wellen. Wellengleichung.

Quellen elektromagnetischer Wellen

Leiter mit Strom. Magnet. Elektrisches Feld (wechselnd).

Um einen Leiter herum, durch den Strom fließt und dieser konstant ist. Wenn sich die Stromstärke ändert, ändert sich auch die Induktion dieses Feldes. Es kommt zu einer elektromagnetischen Feldstörung. Ein magnetisches Wechselfeld erzeugt ein elektrisches Wechselfeld, das wiederum ein magnetisches Wechselfeld usw. erzeugt.

Wellengleichung.

Biot-Savart-Laplace-Gesetz

Wo
– aktuelles Element

I – Stromstärke im Leiter

– ein Vektor, dessen Betrag der Länge dl des Leiters entspricht und dessen Richtung mit der Richtung des Stroms zusammenfällt

– magnetische Permeabilität des Mediums (für Vakuum=1)

H/m – magnetische Konstante

– Radiusvektor, der von der Mitte des Leiterelements bis zum Punkt gezogen wird, an dem die magnetische Induktion bestimmt wird.

Gesamtstrom gleich der Summe Leitungs- und Verschiebungsströme

- Vektor der magnetischen Feldstärke (beschreibt das Feld der Makroströme).

Verallgemeinerter Zirkulationssatz

Maxwells Gleichung für das elektromagnetische Feld

1) Das elektromagnetische Feld kann wie folgt sein so und , dann ist die Gesamtspannung gleich

Umlauf des Gesamtfeldstärkevektors

(Maxwells erste Gleichung)

Zeigt, dass nicht nur Ladungen genutzt werden können, sondern auch zeitlich veränderliche Magnetfelder.

Verallgemeinerter Zirkulationssatz

2)
(- Stromdichte)

Zeigt, dass Magnetfelder entweder durch bewegte Ladungen angeregt werden können ( elektrische Ströme) oder elektrische Wechselfelder

3) Gaußscher Satz für das elektromagnetische Feld in einem Dielektrikum

(- Email Voreingenommenheit.)

wenn sich die Ladung innerhalb einer geschlossenen Oberfläche mit Gleichstrom ausbreitet. , dann wird diese Formel in das Formular geschrieben

(Maxwells zweite Gleichung)

4) Satz von Gauß für

Dieses Ergebnis ist ein mathematischer Ausdruck der Tatsache, dass es in der Natur keine gibt magnetische Ladungen– Es gibt Magnetfelder, bei denen magnetische Induktionslinien beginnen oder enden würden.

Die in der Maxwell-Gleichung enthaltenen Größen hängen mit den Beziehungen zusammen Und

(
)

(
)

(- spezifische Leitfähigkeit des Stoffes)

Maxwells Gleichungen sind in Bezug auf elektrische und magnetische Felder nicht symmetrisch. Dies liegt daran, dass es in der Natur zwar elektrische Ladungen, aber keine magnetischen Ladungen gibt.

Für stationäre Felder (
Und
)

Maxwells Gleichungen haben die Form:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen.

Die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum ist von grundlegender Bedeutung physikalische Konstante für alle Referenzsysteme

Zusammenhang mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Materie in
mal weniger als im Vakuum:

- die Dielektrizitätskonstante Umfeld.

- magnetische Permeabilität des Mediums.

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen: Transversalität, gleichphasige Schwingungen elektrischer und magnetischer Feldstärkevektoren.

Transversalität . elektromagnetische Wellen sind transversal.

Eine elektromagnetische Welle ist ein elektromagnetisches Wechselfeld, das sich im Raum ausbreitet. Eine elektromagnetische Welle wird durch Spannungsvektoren charakterisiert elektrisch und induktion Magnetfelder.

Die Möglichkeit der Existenz elektromagnetischer Wellen beruht auf der Tatsache, dass ein Zusammenhang zwischen den Variablen elektrische und elektrische Wellen besteht Magnetfelder. Ein magnetisches Wechselfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld. Es gibt auch das gegenteilige Phänomen: Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein Wirbelmagnetfeld.

Elektromagnetische Wellen abhängig von der Wellenlänge (oder Vibrationsfrequenzen
) werden bedingt in folgende Hauptbereiche unterteilt: Radiowellen, Infrarotwellen, Röntgenstrahlen, sichtbares Spektrum, ultraviolette Wellen und Gammastrahlen. Diese Trennung elektromagnetischer Wellen beruht auf dem Unterschied ihrer Eigenschaften bei Strahlung, Ausbreitung und Wechselwirkung mit Materie.

Obwohl sich die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Reichweite stark voneinander unterscheiden können, haben sie alle das gleiche Wellennatur und werden durch das Maxwellsche Gleichungssystem beschrieben. Mengen Und in einer elektromagnetischen Welle verändern sie sich im einfachsten Fall nach einem harmonischen Gesetz. Gleichungen einer ebenen elektromagnetischen Welle, die sich in der Richtung ausbreitet Z, Sind:

Wo
- zyklische Frequenz,  -Frequenz,
- Wellennummer, Anfangsphase der Schwingung.