Андрусевич Л.К. - Электромагнитные поля и волны (1092657), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Курс классической электродинамики построен весьма просто. Вся теория электромагнитного поля базируется на четырех экспериментально установленных законах. Это закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции Фарадея и закон непрерывности магнитных силовых линий (закон об отсутствии в природе магнитных зарядов). Эти законы были обобщены Д.К.Максвеллом, который привлек к созданию своей теории великую гипотезу о токе смещения. Таким образом, фундаментом современной электродинамики является система уравнений, называемых уравнениями Максвелла.

Уравнения Максвелла являются фундаментальными в том смысле, что пока не известны общие законы природы, из которых бы они вытекали. Поэтому уравнения Максвелла нужно знать наизусть! Остальное не нужно заучивать, а нужно понять.

В конце 18 и начале 19 века в теории электромагнитных явлений рассматривались в основном такие понятия, как количество электричества, магнетизм, электрический ток. При этом все внимание сосредоточивалось на явлениях, происходящих в заряженных и намагниченных телах, в проводах с током. Считалось, что силы взаимодействия между телами возникают при любом расстоянии между ними мгновенно. В первой половине 19 века М.Фарадей разработал теорию электромагнитных явлений – теорию близкодействия. Фарадей считал, что основную роль в электромагнитных явлениях играют возмущения некоторой субстанции, заполняющей все мировое пространство, названной “эфиром”.

Максвелл математически обработал идеи Фарадея в 1864 г. Чисто теоретическим путем, опираясь на экспериментальные законы, Максвелл доказал, что электромагнитные возмущения должны распространяться с конечной скоростью, которая оказалась равной скорости света. На этом основании Максвелл первым сделал вывод о тождественности электромагнитного поля и света. По Максвеллу электромагнитные явления не обязательно должны сопровождаться движением зарядов. Заряды же не могут существовать без поля. Однако Максвелл, как и Фарадей, считал, что эфир существует. Представление об эфире было опровергнуто значительно позже Альбертом Эйнштейном.

В начале 19 века сформировалось представление об электромагнитном поле как об особой форме существования материи, не связанной с механическими колебаниями какой-либо среды (эфира).

Электромагнитное поле, как и вещество, обладает массой и энергией, т.е. теми универсальными свойствами материи, которые подчиняются всеобщим законам сохранения. Однако имеются и различия:

1. Материя в виде вещества распространяется со скоростью меньшей скорости света.

2. Различные вещества в отличие от электромагнитных полей не могут одновременно заполнять один и тот же объем.

3. Электромагнитное поле имеет двойственную структуру: волны – частицы.

Сформулируем фундаментальные положения о свойствах электромагнитного поля:

1. Электромагнитное поле – особая форма материи, отличающаяся непрерывным распределением в пространстве (волны) и обнаруживающая дискретную структуру (фотоны), характеризующаяся способностью распространения в вакууме со скоростью света, оказывающая на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости.

2. Электрический заряд – свойство частиц вещества или тел, характеризующее их взаимодействие с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем, имеет два вида – положительный заряд и отрицательный заряд, количественно определяется по силовому воздействию тел, обладающих электрическим зарядом.

3. Электромагнитное поле условно разделяют на два вида – электрическое и магнитное поле. Однако обе составляющие неразделимы. Выделение одной из составляющих является эффектом относительным, зависящим от относительности движения наблюдателя и системы зарядов. Например, при движении заряда относительно неподвижного наблюдателя обнаруживается магнитное поле, источником которого является движущийся заряд. Однако, если наблюдатель будет двигаться параллельно заряду с той же скоростью, то он магнитного поля не обнаруживает.

4. Электрическое поле – одна из двух сторон электромагнитного поля; обусловлено электрическими зарядами и изменениями электромагнитного поля, вызывает силовое воздействие на заряженные частицы и тела и выявляется по этому силовому воздействию.

5. Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля; обусловлено движущимися электрическими зарядами, вызывает силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы и тела и выявляется по этому силовому воздействию, направленному перпендикулярно к направлению движения этих частиц и пропорциональное их скорости.

Электромагнитными волнами называют переменные электромагнитные поля, которые способны существовать самостоятельно вне связи с источником своего возникновения. Так, после выключения передатчика электромагнитное поле не исчезает, а продолжает существовать в виде свободно распространяющейся волны.

Частотный спектр электромагнитных колебаний чрезвычайно широк, и его границы можно установить лишь совершенно условно. Применительно к современным системам радиосвязи радиоволнами называют электромагнитные колебания от инфразвуковых частот до частот оптического диапазона включительно.

В 1886 – 1889 гг. Г.Герц фактически доказал существование электромагнитных волн и исследовал их свойства. Впервые практическая радиосвязь была установлена в России А.С. Поповым в 1897 г. Вскоре первая радиотелеграфная связь через океан была осуществлена итальянцем Маркони. С тех пор радиосвязь бурно развивается и, если во времена А.С. Попова дальность радиосвязи, определяемая расстоянием, ограниченным несколькими километрами, была сенсационной, то в настоящее время мы уже привыкли к тому, что с космическими кораблями, удаленными от Земли на расстояния, исчисляемые сотнями миллионов километров, ведется устойчивая радиосвязь.

Электромагнитные поля распространяются волнообразно, подобно механическим волнам в твердых телах и газах. Разница лишь в том, что для распространения электромагнитного поля не требуется никакой среды.

Вакуум создает идеальные условия для распространения радиоволн. В этих условиях радиоволны распространяются без каких – либо искажений, т.е. не поглощаются, не преломляются, не рассеиваются и т.д. Расчет радиолиний в этом случае не представляется сложным, так как для этого достаточно знания методов классической электродинамики.

Однако в реальных условиях радиоволны распространяются в различных средах, взаимодействуя с ними. Характер взаимодействия и его результат зависят от электромагнитных свойств среды и длины волны. Электромагнитные параметры сред часто являются функцией времени и координат. Поэтому расчет радиолиний на практике сопряжен со значительными трудностями и зачастую не имеет строгого однозначного решения. В этом случае большое значение имеет эксперимент.

1 Общие сведения об электромагнитном

поле и его характеристиках

1.1 Векторы электромагнитного поля

Экспериментально установлено, что электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды. Результатом этого воздействия является направленное движение зарядов. Поэтому для исследования свойств электромагнитного поля и их количественной оценки вводят понятие векторов поля.

Векторы электрического поля

Вектор напряженности электрического поля характеризует силу, с которой электрическое поле воздействует на точечный единичный положительный заряд q :

. (1.1)

Закон, открытый французским физиком Ш. Кулоном, позволяет определить силу взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов, удаленных друг от друга на расстояние r:

, (1.2)

где – величина, называемая абсолютной диэлектрической проницаемостью среды, – единичный радиус-вектор.

Подставив (1.2) в (1.1), получим:

. (1.3)

Из (1.3) видно, что напряженность поля электрического заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Вектор напряженности электрического поля имеет размерность (Вольт на метр).

К ак следует из закона Кулона (1.2), напряженность электрического поля зависит от диэлектрической проницаемости среды , в которой находится источник поля (заряд), причем с ростом напряженность поля уменьшается. При решении ряда задач электродинамики, когда знание этой зависимости не требуется, вводится вектор электрического поля, не зависящий от – вектор . Он называется вектором электростатической индукции, или вектором электрического смещения. В отличие от проводников, в диэлектриках отсутствуют свободные заряды. Согласно планетарной теории атома выдающегося датского ученого Нильса Бора, атом состоит из положительно заряженного ядра и одного или нескольких электронов, вращающихся вокруг ядра по круговым орбитам. При отсутствии внешнего электрического поля ядро является центром орбит электронов, там же находится центр тяжести всей системы (рис.1.1). На этом основании атом считается электрически нейтральным. Под действием внешнего электрического поля происходит смещение орбит электронов (отсюда название вектора ). Как показано на рис.1.2, центр тяжести смещается из места расположения ядра, и атом приобретает электрический момент , становясь своеобразным электрическим диполем (рис.1.3):

, (1.4)

где – единичный вектор, указывающий направление дипольного момента от отрицательного заряда к положительному.

Характеристики

Список файлов книги