Электромагнитные волны и физические основы радиотехники

Электромагнитные волны и физические основы радиотехники

Тестирование онлайн

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.

Предмет, который Вам предстоит изучать, называется в разных местах по-разному: "ТОЭ"; "Электротехника и радиотехника"; "Радиофизика" – суть названия похожих курсов лекций в других вузах. Наш назвали: "Физические основы радиоэлектроники".

Можно определить предмет ФОРЭ как изучение физических процессов и математического описания возбуждения, преобразования и регистрации электромагнитных сигналов.

Слово "радио" происходит из хорошей семьи латинских слов – radiate, radiata, radiato, radiati, radiatis, radiatus, radiabit, radiant, radiatam, radiatorum,– излучать, испускать лучи.

Будем считать этапы развития радио от открытия М.Фарадеем закона электромагнитной индукции в 1831 году. В 1861-62 годах Дж.К.Максвелл опубликовал статьи с известными уравнениями (Максвелла). Гельмгольц, несогласный с теорией Максвелла, поручил своему ученику Генриху Герцу провести её экспериментальную проверку. Опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла и были описаны в работе "О лучах электрической силы", вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн. Фактически Герц и был первооткрывателем радиосвязи. Он передавал без проводов и принимал импульсные сигналы.

Читайте также:  Как сделать погреб в гараже своими руками

В августе 1894 года Оливер Лодж демонстрировал первую преднамеренную передачу сигналов при помощи радиоволн (см. приложение). В мае 1895 года Александр Степанович Попов продемонстрировал передачу радиоволн в Петербурге. В июле 1896 года Гульельмо Маркони получил патент Великобритании на способ передачи электромагнитных волн. Приоритет не был признан в Германии, России, США и Франции. В 1904 Дж.Флеминг изобрёл вакуумный диод-детектор, а в 1906 году Л. де Форест – триод. В 1913 году А.Мейснер изобрёл ламповый генератор. В 1935 году Р.А.Ватсон-Ватт построил радиолокатор и обнаружил самолёт, летящий на расстоянии 64 км. В 1948 году В.Шокли изобрёл биполярный транзистор. В 1954 году Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Х.Таунс создали первые мазеры. В 1958 году Дж.Килби изготовил первую микросхему.

Радиоэлектроника тесно связана с физикой, она применяется практически во всех физических измерениях. Применение радиофизических методов привело не только к уникальным результатам, но и к открытиям, среди которых можно отметить следующие – нейтрон, нейтрино, все эффекты взаимодействия элементарных частиц. Реликтовое электромагнитное излучение. Пульсары, двойные пульсары. И многое другое…

Цепи. Электрическая цепь – совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение. Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.

Часть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима (полюса), называют четырёхполюсником. Пару зажимов четырёхполюсника, к которым присоединяют источник сигнала, называют входными, а пару зажимов, к которым присоединяют нагрузку (приёмник), – выходными.

Четырехполюсники подразделяются на пассивные и активные. Четырёхполюсник, в схеме которого не содержатся источники энергии, называется пассивным. Четырёхполюсник, в схеме которого есть источники энергии, называется активным.

Ко входу четырёхполюсника можно подключить идеальный генератор переменного напряжения. Идеальный генератор напряжения UBX имеет нулевое внутреннее сопротивление и поддерживает напряжение при любых токах нагрузки. При коротком замыкании его ток должен быть равен бесконечности!

Схема включения четырёхполюсника. Коэффициент передачи определяется формулой (1.1).

Большинство цепей удобно представлять в виде четырёхполюсников. Тогда можно ввести комплексный коэффициент передачи, зависящий от частоты:

Переменный ток.Переменным током будем называть любой электрический ток, изменяющийся во времени. Так же определим и переменное напряжение. Если любые значения переменного тока повторяются через равные промежутки времени Т, то такой ток называется периодическим. Всякий реальный процесс имеет начало и конец. Поэтому, строго говоря, периодическим любой процесс можно считать лишь в некотором приближении.

Важнейшее значение в радиоэлектронике имеет изучение прохождения в цепях синусоидального переменного тока. Ниже будет показано, что во многих случаях сигналы другой формы могут быть представлены в виде суммы синусоидальных.

Напомним краткие сведения из школьного курса физики.

Синусоидальное переменное напряжение U(t) = U sin(ωt+φ), ω = 2π fкруговая частота, измеряемая радианами в секунду, φ – фаза при t = 0, t – время, U – амплитуда.

Частота f измеряется в герцах или Гц.

Видно, что суммарная амплитуда гармонических колебаний А и В при произвольном сдвиге по фазе φ не равна арифметической сумме амплитуд.

Эффективное значение.Синусоидальный ток. Средняя мощность за период.

Несинусоидальный переменный ток. Эффективное значение.

Рис. 1.3. Переменное напряжение разной формы.

А – пила, Б – меандр.

Значение эффективного напряжения зависит от формы переменного тока и иногда даже равно амплитудному.

Следует запомнить, что почти все вольтметры показывают эффективное напряжение синусоидального переменного тока.

| следующая лекция ==>
Понятие токов смещения и механизмы электропроводности диэлектриков. | Линейные системы. Условие квазистационарности

Дата добавления: 2019-04-03 ; просмотров: 67 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

20. Электромагнитные волны и методика их изучения.

Изучение понятия электромагнитных волн начинается с рассмотрения взаимосвязи переменных электрических и магнитных полей.

Электромагнитная волна – процесс распространения электромагнитный полей в пространстве с конечной скоростью.

Существование электромагнитных волн предсказал в 1832 году Фарадей, а в 1865 г. Максвелл теоретически показал, что электромагнитное поле должно распространятся в вакууме со скоростью света.

Читайте также:  Гардеробная комната в доме с окном

Изучение электромагнитных волн проводят на качественном уровне, сообщая школьникам основные выводы из теории и экспериментальные факты, применяя модельные представления, графики и другие средства, обеспечивающие наглядность при изучении этого сложного материала.

Важно подчеркнуть, что теоретическое представление Максвелла о существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено Герцем в 1888г., это сыграло важную роль в утверждении теории Максвелла.

В электромагнитной волне вектор E и B перпендикулярны друг другу, и лежат в плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны. Это дает возможность утверждать, что электромагнитные волны поперечны.

Векторы E и B колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно превращаются в ноль и одновременно достигают максимума. Это дает возможность изобразить графики изменения E и B в направлении распространения волны, показать направление скорости.

Совпадения скорости электромагнитной волны со скоростью света дало Максвеллу возможность предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Это подтвердилось и благодаря этому в истории науки произошло объединение оптики и электромагнетизма в одно учение.

При начальном объяснении образования и распространения волн надо исходить из того, что изучено. Можно предположить процесс распространения электромагнитного поля, т.е. образование электромагнитных волн в свободном пространстве.

Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны переносят энергию. Энергия, переносимая волной количественно характеризуется вектором плотности потока энергии (вектора Умова-Пойтинга). В школе ограничиваются констатацией факта переноса волной энергии в направлении распространения волны, а также выводом, что электромагнитная волна должна обладать импульсом и благодаря этому оказывать давление на тела.

При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из следующих путей: 1. Рассмотрения электромагнитных колебаний, которые возникают в колебательном контуре. 2. Рассмотрения недостатков закрытого колебательного контура, как излучателя и постепенного изменения электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, переходят к открытому колебательному контуру – вибратору.

Для получения электромагнитных волн Герц использовал устройство, которое назвал вибратором Герца.

Для возбуждения колебаний в нем поступают так: провод разделяют по средине так, чтобы остался небольшой промежуток, называемый искровым. Обе части провода заряжаются до высокой разницы потенциалов. Когда разность потенциалов превышает некоторое предельное значение, проскакивает искра и в открытом колебательном контуре возникает потенциал. Поля в открытом колебательном контуре затухают по двум причинам: 1) в следствие наличия у контура активного сопротивления; 2) вибратор излучает электромагнитные волны и теряет энергию.

Когда колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется.

Свойства электромагнитных волн:

Для электромагнитных волн характерны явления отражения, преломления, интерференции, дифракции, поляризации. Все эти свойства должны быть продемонстрированы в средней школе для последующего изучения этих явлений при изучении световых волн.

С помощью генератора с длиной волны 3 см демонстрируют опыты, знакомящие учащихся со свойствами электромагнитных волн.

Явление интерференции помогает выявить волновой характер процесса. Кроме того интерференция находит широкое практическое применение. О свойствах волн приходится судить по косвенным проявлениям, что очень ложно для начального знакомства с интерференцией.

В начале следует ознакомить с явлением интерференции на примерах упругих волн, волн на воде, а затем перейти к интерференции самих электромагнитных волн.

Знакомство с интерференцией начинают с принципа суперпозиций – волны от разных источников распространяются не зависимо друг от друга.

Обращают внимание на картину в волновой ванне при наложении волн от двух вибраторов.

Вводят понятие когерентных источников – источников колебаний одинаковой частоты с постоянной разностью фаз. Записывают условия максимумов и минимумов .

Явление дифракции – отклонение от прямолинейного распространения, огибание препятствий, характерно для любой волны, что можно продемонстрировать на примере волн на воде.

В поперечности волн можно убедиться из опыта, разместив между приемником и передатчиком решетки, при ее повороте на 90 0 прием прекращается.

21. Методика изучения вопроса о световых квантах (Внешний фотоэффект, эффект Комптона,. Фотон). 22. Методика изучения вопроса о световых квантах (законы фотоэффекта, двойственность свойств света).

В программе по физике для 11 летней школы один из разделов называется «Квантовая физики». Этот раздел включает в себя два подраздела: «кванты света» и «Атом и атомное ядро». Этот материал объединен вокруг стержневой идеи – квантованности в микромире. На конкретных примерах иллюстрируется роль эксперимента, как источника знаний. На примере корпускулярно волновой двойственности свойств света а также частиц вещества раскрывается закон единства и борьбы противоположностей.

Знакомят с историей развития квантовой физики.

В основе обоснования тезиса о квантовой природе света авторы программы предлагают изучать явление фотоэффекта. На основе фотоэффекта вводится идея о дискретности энергии излучения и поглощения кванта энергии:

Читайте также:  Что такое последовательное и параллельное соединение проводников

Введению понятию о квантовой природе света предшествует качественный анализ трудностей электродинамики Максвелла при объяснении законов теплового излучения. Оказалось, что теория Максвелла, объясняющая излучение макроскопическими излучениями – антителами электромагнитной волны с большой длиной волны, оказалась неспособной объяснить излучение коротких электромагнитных волн микроскопическими излучателями (атомами и молекулами).

Эту задачу решил Планк в 1900г. путем введения в физику принципиально новой идеи: он предположил, что энергия атомов меняется отдельными порциями – квантами. Причем, если собственная частота атома равна ню, то его энергия изменяется лишь скачком на величину равную или кратную . Необходимо заметить, что о квантовании самого излучения Планк ничего не говорил. Идея о том, что излучение состоит из отдельных порций – квантов излучений (названных в последствии фотонами) принадлежит Эйнштейну, который пришел к этой идее в 1905 году, в результате анализа статистических свойств излучения, а затем применил ее к объяснению ряда явлений, в том числе и к фотоэффекту.

Учитель ставит проблему: существовали экспериментальные основания для утверждения дискретности излучения. Ответ- да, такими основаниями служат явления фотоэффекта. Рассказывает историю открытия фотоэффекта и роль Столетова в исследовании законов фотоэффекта.

Вырывание электронов с поверхности металла под действием света – фотоэффект.

Для исследования законов фотоэффекта использовалась установка: стеклянный сосуд с 2 электродами. С помощью этой схемы использовались ВАХ.

1-й закон фотоэффекта: Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности излучения, падающего на катод.

Скорость фотоэлектронов можно найти, используя закон сохранения энергии: , eUз – работа э.п. .

2-й закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.

3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наименьшая частота при которой еще возможен фотоэффект. При всех частотах меньших это минимальной фотоэффект не произойдет ни при какой интенсивности волны, падающей на катод.

Для получения количественной зависимости законов для фотоэлектронов, надо ввести понятие о работе выхода электронов. Это можно сделать качественно на уровне классической теории, пояснившей что при выходе электрона из металла в нем образуется индуцированный положительный заряд, который притягивает электрон к металлу.

Электрон может выйти из металла и удалиться от его поверхности на малые расстояния: над металлом создается тонкий отрицательно заряженный электронный слой, который вместе с положительными ионами поверхности металла образуют своеобразный заряженный конденсатор, поле которого препятствует выходу новых электронов, поэтому для вырывания электронов из металла нужно совершить работу против сил, препятствующих выходу электронов из поверхности металла.

Минимальная дополнительная энергия, которую надо сообщить электрону для его удаления с поверхности тела в вакууме называется работой выхода.

После ознакомления учащихся с понятиями работы выхода электрона, на основе закона сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта вводят формулу Эйнштейна в виде: .

Основываясь на этом уравнении объясняют все три закона фотоэффекта.

Число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу квантов, а не равно, потому что часть квантов поглощается кристаллической решеткой и их энергия переходит во внутреннюю энергию металла.

Второй закон очевиден, так как формула Эйнштейна определяет максимальную энергию электронов, вылетающих с поверхности катода. Электроны, вырываемые из внутри металла могут потерять часть энергии и скорость окажется меньше максимальной.

Третий закон выводится так же из формулы Эйнштейна, т.к. кинетическая энергия не может быть меньше нуля, то фотоэффект могут вызывать лишь кванты, энергия которых не меньше работы выхода, т.е. .

Фотон является ультрарелятивисткой частицей, имеющей в вакууме скорость света. Энергию фотона определяет: или .

Помимо энергии и массы, фотон обладает и импульсом. Часто при изучении этого вопроса записывают выражение для импульса фотона: .

Более общим является вывод формулы для импульса фотона:

.

Важно подчеркнуть, что импульс фотона является векторной величиной. Направление импульса совпадает с направлением распространения света. Это требует дополнительных объяснений. Так, например, импульс можно записать следующим образом: , k-волновое число — число длин волн укладывающихся на 2пи единиц длины.

Вводят следующие обозначения: , Постоянная, введенная Дираком, основоположником квантовой механики. Т.о. фотон, подобно любой движущейся частице обладает тремя корпускулярными характеристиками: энергией, массой и импульсом. Все эти характеристики связаны с волновой характеристикой света — его частотой. В этом находит свое выражение корпускулярно-волновая двойственность свойств света.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector