Электромагнитные волны и методика их изучения

В программе одиннадцатилетней школы тема «Электромагнитные волны» охватывает большой круг вопросов: электромагнитные волны и их свойства, вопросы радиосвязи, световые волны и электромагнитные излучения, разных длин волн.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА

Изучение понятия электромагнитной волны начинают с рассмотрения взаимосвязи переменного электрического и переменного магнитного полей.

Электромагнитная волна-это процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве с конечной скоростью. Существование электромагнитных волн предсказал еще в 1832 г. М. Фарадей, а в 1865 г, Дж. Кл. Максвелл теоретически показал, что электромагнитные колебания должны распространяться в вакууме со скоростью света.

В электромагнитной волне вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции перпендикулярны друг другу, кроме того, они лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, т. е. вектору скорости волны. Это дает основание утверждать, что электромагнитные волныпоперечны. Направление распространения волны определяют Вектор напряженности электрического поля Е и вектор магнитной индукции В колеблются в одной фазе, т. е. одновременно превращаются в нуль и одновременно достигают максимума. Эти сведения дают возможность изобразить графически изменения вектора напряженности электрического поля Е и вектора магнитной индукции B и направление распространения волны, показать направление скорости. На этом же графике можно отметить длину волны.

Из решения волнового уравнения в теории Максвелла вытекало, что фазовая скорость электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Переменное электрическое поле напряженностью Е порождает переменное магнитное поле с индукцией В, электромагнитная волна переносит энергию.

Импульс электромагнитной волны мал. Прямые измерения светового давления впервые были произведены замечательным русским ученым П. Н. Лебедевым в 1900 г. Доказательством наличия импульса у электромагнитного излучения служит поведение хвостов комет: из-за радиационного давления хвосты комет направлены от Солнца.

Свободное электромагнитное поле обладает не только энергией и импульсом, но и массой. Поскольку энергия равна Е=mс2, а скорость света велика, то даже весьма значительной энергии поля соответствует очень малая масса. Например, масса, соответствующая энергии, излучаемой очень мощной радиостанцией (500 кВт) в течение часа, равна 0,02 мг.

Электромагнитную природу имеет чрезвычайно широкий круг излучений. Можно говорить о непрерывном ряде излучений, простирающихся от радиоволн до гамма-лучей, т. е. о спектре или шкале электромагнитных излучений. Названия для излучений, лежащих в различных участках спектра, сложились исторически. Они фактически дают классификацию источников излучения.

При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из следующих путей:

• 1. Вначале рассматривают распространение электромагнитной волны вдоль двухпроводной линии, а затем, развертывая концы этой линии, переходят к диполю, излучающему электромагнитные волны.
• 2. Рассматривают задачу о поле излучения точечного диполя (диполя Герца), а затем — сам вибратор Герца как систему точечных диполей, излучения которых складываются и дают излучение всего вибратора в целом.
• 3. Вскрывают недостатки закрытого колебательного контура как излучателя и, постепенно изменяя электроемкость его конденсатора и индуктивность катушки, переходят к открытому контурувибратору.

Показывают, что в открытом контуре, индуктивно связанном с контуром генератора незатухающих колебаний, возбуждаются вынужденные колебания той же частоты.

В методической литературе встречаются и другие предложения по изучению поля вокруг прямолинейного вибратора. При этом в качестве индикаторов магнитного поля предлагается использовать или ферритовый стержень с витком и лампочкой, или просто виток проволоки с низковольтной лампочкой (2,5 В; 0,075 А). Для изучения электрического поля вокруг вибратора предлагается использовать проводник, в середине которого помещают лампу накаливания. После данной демонстрации зарисовывают картину линий поля вокруг прямолинейного вибратора. Следует подробно остановиться на опытах Герца, которые явились экспериментальной проверкой выводов теории Максвелла. Их можно проиллюстрировать с помощью генератора ВЧ, излучающего волны длиной около 3 см.

Этим условиям удовлетворяет комплект приборов на базе генератора сантиметровых волн, разработанный Н. М. Шахмаевым. Совершенно ясно, что при использовании этого комплекта не следует в силу больших методических трудностей объяснять учащимся устройство и принцип работы генератора на клистроне. В тех опытах, которые предлагаются в работе, генератор выполняет служебную роль.

В работе требуется ознакомиться с методикой и техникой проведения демонстраций, устанавливающих наиболее важные свойства электромагнитных волн радиодиапазона.

Рис. 9.

Учебный комплект с генератором сантиметровых волн (СВЧ) (рис. 29−1), в который входят следующие приборы и принадлежности: генератор сантиметровых волн (л = 3 см) с мультивибратором 1, приемник с рупорной антенной 2, приемник с дипольной антенной 3, призмы из диэлектрика — прямоугольная и треугольная 4, поляризационные решетки 5 — 2 шт., линза 6 из диэлектрика, металлические пластины 7 широкие и узкие — 4 шт., пластинка 8 из диэлектрика, диск металлический 9, держатели для пластин 10. Кроме того, к комплекту прилагаются четыре подставки.

Сверхвысокими частотами (СВЧ) называют частоты от 109 до 1012 Гц,.

Генератор с мультивибратором (рис. 29−2) смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода смонтированы клистрон типа К-19 и радиолампа 6Н7С. Генератор дает остро направленное излучение электромагнитных волн длиной 3 см, модулированных колебаниями звуковой частоты 500 — 600 Гц.

Приемник с рупорной антенной (рис.; 29−3) также смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода установлена детекторная секция, внутри которой смонтирован кремниевый детектор типа — С7М.

Рис. 10.

Детектор имеет возможность вертикально перемещаться для подстройки приемника. От детектора выведен одножильный экранированный шнур, снабженный двумя наконечниками для подключения к входным клеммам усилителя низкой частоты с громкоговорителем в качестве индикатора.

Приемник с дипольной антенной 3 смонтирован на пластмассовом держателе. Между бортиками держателя в горизонтальном положении укреплен кремниевый детектор ДК-С7М, имеющий контакты с экранированным проводом, оканчивающимся наконечниками.

Прямоугольная 4 и треугольная 5 призмы изготовлены из пластмассовых пластин. Внутренняя полость призм залита парафином.

Поляризационные решетки 6 представляют собой пластмассовые кольца с параллельными металлическими стержнями. Кольца могут скользить между металлическими скобами, что позволяет поворачивать их рукой вокруг горизонтальной оси. Плосковыпуклая линза 7 изготовлена из диэлектрика. Металлические пластины 8 прямоугольной формы, изготовленные из алюминия, и диэлектрическую пластину можно устанавливать в держателях 9.

Основная установка с комплектом показана на рисунке 267.

Рис. 11.

Штепсельный разъем генератора соединяют с разъемом выпрямителя ВУП. После включения ВУП и прогрева ламп генератора он начинает излучать электромагнитные волны. Провод приемника с рупорной или дипольной антенной подключают на вход усилителя низкой частоты, на выходе которого может быть включен громкоговоритель, гальванометр переменного тока или осциллограф. При включенных приборах громкоговоритель издает звук частотой 500−600 Гц, громкость которого можно регулировать ручкой усиления УНЧ.

Комплект позволяет продемонстрировать излучение электромагнитных волн генератором, прохождение электромагнитных волн через диэлектрики, отражение и преломление электромагнитных волн, собирающее действие вогнутого зеркала и плосковыпуклой линзы, стоячие электромагнитные волны в пространстве, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, и др.

Ознакомьтесь с опытами по электромагнитным волнам, которые рассмотрены в пособии.