Физика (лучшее)

контуры. Пробными называют замкнутые контуры, по которым течёт постоянный

ток, внесение которых не искажает исследуемого поля. Пробный контур

характеризуют магнитным моментом Рм, который является вектором. Его модуль

равен

[pic]

где I - сила тока в контуре, S - площадь контура. Вектор Рм направлен

перпендикулярно к плоскости контура и связан с направлением тока правилом

правого винта: при вращении винта в направлении тока, его поступательное

движение показывает направление магнитного момента контура. Из формулы

следует, что магнитный момент измеряется в ампер*метр2 (Ам2).

При внесении пробного контура в магнитное поле он устанавливает так, что

его магнитный момент совпадает с направлением вектора индукции магнитного

поля в данной точке поля. Если контур вывести из положения равновесия, то

на него будет действовать момент сил, стремящийся вернуть его в положение

равновеся. Этот момент сил будет наибольшим (максимальным), когда магнитный

момент контура перпендикулярен к вектору В. Пусть в одну и ту же точку

магнитного поля вносятся различные пробные контуры. Тогда на них будут

действовать и различные максимальные моменты сил. Однако отношение

максимального момента Мmax к магнитному моменту контура Рм остаётся

постоянным независимо от модуля магнитного момента. Поэтому его принимают

за характеристику поля в данной точке. Это и есть индукция магнитного поля,

которую обозначают через В, т.е. Таким образом, модуль индукции магнитного

поля в некоторой точке равен отношению максимального момента сил,

действующего на пробный контур, помещённый в эту точку, к его магнитному

моменту, и направление индукции магнитного поля совпадает с направлением

магнитного момента свободно ориентирующегося контура.

В системе единиц СИ индукция магнитного поля измеряется в теслах (Тл). Тл

- это индукция в такой точке магнитного поля, при внесении в которую

пробного контура с магнитным моментом 1 А*м2 на него действует максимальный

момент сил, равный 1 Н*м.

Подсчитаем размерность тесла. [pic]

3. Линии магнитной индукции. Для наглядного изображения магнитного поля

пользуются линиями магнитной индукции. Линией магнитной индукции называют

такую линию, в каждой точке которой индукция магнитного поля (вектор В)

направлен но касательной к кривой. Направление этих линий совпадает с

направлением поля. Условились линии магнитной индукции проводить так, чтобы

число этих линий, отнесённых к единице площади площадки, перпендикулярной к

ним, равнялось бы модулю индукции в данной области поля. Тогда по густоте

линий судят о магнитном поле. Там, где они гуще, модуль индукции магнитного

поля больше. Так же, как и линии напряжённости электрического поля, они не

пересекаются. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают

проводник с током в отличие от линий напряжённости электростатического

поля, которые разомкнуты (начинаются и заканчиваются на зарядах).

Направление этих линий находится по правилу правого винта: если

поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то его

вращение происходит в направлении линий магнитной индукции. В качестве

примера приведём картину линий магнитной индукции прямого тока, текущего

перпендикулярно к плоскости чертежа от нас за чертёж

4. Закон Ампера. Как известно, на проводник с током, помещённый в

магнитное поле, действует сила. Ампер установил, что модуль F силы

находится по формуле

[pic]

где I — сила тока, проходящего по проводнику, В — модуль индукции

магнитного поля в месте расположения участка проводника длиною l, ( - угол

между направлением тока и вектором В. Направление этой силы, получившей

название силы Ампера, определяется по правилу левой руки: если руку

расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре

вытянутых пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый на 90° большой

палец даёт направление силы. Сила Ампера перпендикулярна к плоскости,

проведённой через 1 и В

5. Сила Лоренца. Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение

электрических зарядов, то естественно предположить, что сила Ампера

является равнодействующей сил, действующих на отдельные заряды,

движущиеся в проводнике. Опытным путём установлено, что на заряд,

движущийся в магнитном поле, действительно действует сила. Эту силу

называют силой Лоренца. Модуль FL силы находится по формуле

[pic]

где В — модуль индукции магнитного поля, в котором движется заряд, q и v —

абсолютная величина заряда и его скорость, ( - угол между векторами v и В.

Эта сила перпендикулярна к векторам v и В, её направление находится по

правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых

пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии

индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 900 большой

палец показывает направление силы. В случае отрицательной частицы

направление силы противоположное.

Билет № 16

Полупроводниками называют группу веществ, электропроводность которых

занимает промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Полупроводники обладают рядом свойств, отличающими их како т металлов, так

и диэлектриков. Если с повышением температуры сопротивление металлических

проводников увеличивается, то у полупроводников уменьшается. Уменьшается

сопротивление полупроводников и при их освещении. На базе полупроводников

созданы разнообразные полупроводниковые приборы, используемые в

радиоэлектронике, автоматике и вычислительной технике.

1. Собственная проводимость полупроводников. Полупроводниками являются

химические элементы четвёртой группы таблицы Менделеева и некоторые другие

соединения. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы

кремния и германия, в которых атомы объединены ковалентной связью

Вследствие теплового движения атомы сталкиваются между собой. Это может

привести к разрыву некоторых химических связей, в результате чего возникает

свободный электрон, который будет хаотически двигаться по кристаллу.

Удаление электрона приводит к нарушению химической связи, поскольку она

осуществляется лишь одним валентным электроном. Эту неполноценную связь

называют дыркой. Дырка обладает положительным зарядом, равным заряду

электрона по абсолютной величине, так как в месте, покинутом электроном,

будет недостаток электрона. На место дырки может попасть электрон от

соседней химической связи. Это приводит к изменению положения дырки.

Поэтому дырка будет хаотически перемещаться по кристаллу. Таким образом, в

полупроводнике при любой температуре имеется определённая концентрация

свободных электронов и дырок, которыми и обусловливается собственная

электропроводность полупроводников. С повышением температуры полупроводника

возрастает концентрация указанных частиц. Это приводит к тому, что с

повышением температуры увеличивается проводимость, а сопротивление

полупроводника уменьшается.

2 Примесная проводимость полупроводников. Чистые полупроводники не

представляют практического интереса. Для электроники весьма полезными

оказались так называемые легированные полупроводники, т.е. полупроводники,

в которые введены примеси. Они подразделяются на полупроводники n- и р-

типа.

а) Полупроводники n-типа. Если в кристаллическую решётку

четырехвалентного полупроводника, например кремния, внедрить пятивалентный

атом, например фосфор, то для образования ковалентных связей с соседями ему

надо четыре электрона. Пятый же электрон вследствие теплового движения

может оторваться от атома. в результате этого атомы примеси превращаются в

положительные ионы. И появляются свободные электроны, обусловливающие

проводимость полулроводника. Такие примеси называются донорными, а сам

полупроводник называют полупроводник n-типа (от слова negative —

отрицательный).

б) Полупроводники р-типа. Если внедрить в кристаллическую решетку

четырёхвалентного полупроводника (кремния) трёхвалентный атом (бор), то для

образования ковалентной связи с соседями ему надо четыре электрона, а у

него их только три. Поэтому одна связь оказывается не укомплектованной.

Атом бора захватывает один электрон от соседнего атома кремния, так как это

энергетически выгодно. В результате этого атомы примеси превращаются в

отрицательные ноны, а в полупроводнике возникают дырки, обусловливающие его

электропроводность. Проводимость этого типа называется дырочной, примесь —

акцепторной, а полупроводник - р-типа (от слова positive — положительный).

З. Полупроводниковый диод. На основе примесных полупроводников созданы

устройства, являющиеся важными компонентами современных электронных

приборов — диоды, транзисторы и т.д. Их важным преимуществом являются

высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность. В настоящее время

на 1 см2 удаётся разместить тысячи таких элементов, в связи с чем и,

появились, например, персональные ЭВМ, размещающиеся на столе и обладающие

огромными вычислительными возможностями. Рассмотрим принцип работы диода.

При соединении полупроводников n- и р-типа получается диод с так называемым

р-n - переходом. В результате такого соединения небольшое количество

электронов около контакта перейдёт из полупроводника n-типа в полупроводник

р-типа, где произойдёт их рекомбинация с дырками. Вследствие этого

полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно.

Возникает некоторая разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему

переходу электронов. Если к диоду подключить источник тока, чтобы минус был

соединён с полупроводником n-типа, а плюс - с полупроводником р-типа, то

под действием внешнего электрического поля электроны и дырки проходят

границу раздела полупроводников и рекомбинируют. В то же время источник

тока поставляет всё новые электроны и дырки. Поэтому через диод протекает

достаточно сильный ток. Если изменить полярность на диоде, то под действием

поля электроны и дырки отходят от границы раздела полупроводников и ток

через диод не течёт. Таким образом, диод обладает односторонней

проводимостью. Это используется для выпрямления тока, т.е. для

преобразования переменного тока в постоянный по направлению ток. Для того

чтобы получить ток постоянный по величине, используют диоды, включённые в

несколько более сложные цепи. Выпрямительные схемы играют важную роль, так

как электростанции вырабатывают ток переменный, а для работы большинства

электронных устройств (радио, телевизоры, ЭВМ) требуется постоянное

напряжение.

Билет № 17

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитное поле. Естественно

возникает вопрос: «,Возможно ли появление электрического тока с помощью

магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явление

электромагнитной индукции, которое заключается в следующем: при всяком

изменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую

проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая

э.д.с. индукции. Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с.

появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил,

что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и

определяется только быстротой его изменения, т.е.

[pic]

Соотношение называется законом электромагнитной индукции: э.д.с. индукции

в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего

площадь, охватываемую проводником. Знак минус в формуле (68.1) является

математическим выражением правила Ленца. Известно, что магнитный поток

является алгебраической величиной. Примем магнитный поток, пронизывающий

площадь контура,

положительным. При увеличении этого потока ([pic]) возникает з.д.с.

индукции [pic], под действием которой появляется индукционный ток,

создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю,

т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается ([pic]), то

[pic], т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с

направлением внешнего поля.

Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению

индукционного тока, а следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид,

замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный

прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, то при движении

магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетельствующее о

возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении

соленоида относительно магнита. Если же магнит и соленоид неподвижны

относительно друг друга, то и индукционный ток не возникает. Из

приведённого опыта следует вывод, что при взаимном движении указанных тел

происходит изменение магнитного потока через нитки соленоида, что и

приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с.

индукции.

2.Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: индукционный

ток всегда имеет такое направление. что создаваемое им магнитное поле

препятствует изменению магнитного потока, которое вызывает этот ток. Из

этого правила следует, что при возрастании магнитного потока возникающий

индукционный ток имеет такое направление, чтобы порождаемое им магнитное

поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению

магнитного потока. Уменьшение магнитного потока, наоборот, приводит к

появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по

направлению с внешним полем. Пусть, например, в однородном магнитном поле

находится проволочная квадратная рамка, пронизываемая магнитным полем

Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению

магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное

поле, возникающего индукционного тока, будет направлено против внешнего

поля, т.е. вектор В2 этого поля противоположен вектору Ё. Применяя правило

правого винта (см. § 65, п. З), находим направление индукционного тока Ii.

З. Явление электромагнитной индукции получило широкое применение в

технике: промышленности получение электроэнергии на электростанциях,

разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) в индукционных

электропечах и т.д.

2.Магнитный поток. Магнитным потоком через некоторую поверхность называют

число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в однородном

магнитном поле находится плоская площадка площадью S, перпендикулярная к

линиям магнитной индукции. (Однородным магнитным полем называется такое

поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одинакова по модулю

и направлению). В этом случае нормаль n к площадке совпадает с направлением

поля. Поскольку через единицу площади площадки проходит число линий

магнитной индукции, равное модулю В индукции поля, то число линий,

пронизывающих данную площадку будет в S раз больше. Поэтому магнитный поток

равен

[pic]

Рассмотрим теперь случай, когда в однородном магнитном поле находится

плоская площадка, имеющая форму прямоугольного параллелепипеда со сторонами

а и b, площадь которой S = аb. Нормаль n к площадке составляет угол ( с

направлением поля, т.е. с вектором индукции В. Число линий индукции,

проходящих через площадку S и её проекцию Sпр на плоскость,

перпендикулярную к этим линиям, одинаково. Следовательно, поток Ф индукции

магнитного поля через них одинаков. Используя выражение, находим Ф = ВSпр

Из рис. видно, что Sпр= ab*cos ( =Scos(. Поэтому

ф =BScos (.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Из формулы

следует [pic]т.е. 1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2,

расположенную перпендикулярно к линиям магнитно индукции в однородном

магнитном поле с индукцией 1 Тл. Найдем размерность вебера: [pic]

Билет № 19

Свободные и вынужденные колебания. Электрические колебания были открыты в

известной мере случайно. После того как изобрели лейденскую банку (первый

конденсатор) и научились сообщать ей большой заряд от электростатической

машины, начали наблюдать электрический разряд банки. Замыкая обкладки

лейденской банки с помощью проволочной катушки, обнаружили, что стальные

спицы внутри катушки намагничиваются. В это ничего странного не было:

электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки.

Удивительным было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника

катушки окажется северным полюсом, а какой – южным. Повторяя опыт примерно

в одних и тех же условиях, получали в одних случаях один результат, а в

других другой. Далеко не сразу поняли, что при разряде конденсатора через

катушку возникают колебания. За время разрядки конденсатор успевает много

раз перезарядиться и ток меняет направление много раз. Из-за этого

сердечник может намагничиваться различным образом.

Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и

напряжёния называют электрическими колебаниями.

Получить электрические колебания почти столь же просто, как и заставить

тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электрические

колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни

перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно

происходят с очень большой частотой.

Наблюдают и исследуют электрические колебания с помощью электронного

осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой

трубки осциллографа подается переменное напряжение развертки Up

“пилообразной» формы. Сравнительно медленно напряжение нарастает, а потом

очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами заставляет

электронный луч пробегать экран в горизонтальном направлении с постоянной

скоростью и затем почти мгновенно возвращаться назад. После этого весь

процесс повторяется. Если теперь присоединить вертикально отклоняющие

пластины к конденсатору, то колебания напряжения при его разрядке вызовут

колебания луча в вертикальном направлении. В результате на экране

образуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которую

вычерчивает маятник с песочницей на движущемся листе бумаги. Колебания

затухают с течением времени

Эти колебания — свободные. Они возникают после того, как конденсатору

сообщается заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка

конденсатора эквивалентна отклонению маятника от положения равновесия.

В электрической цепи можно также получить и вынужденные электрические

колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепи периодической

электродвижущей силы. Переменная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке

из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис. 19). При этом

магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменяется, В

соответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется и

возникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдет

переменный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.

2.Колебательный контур Простейшая система, в которой могут происходить

свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки,

присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая система называется

колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в контуре возникают колебания. Зарядим конденсатор,

присоединив его на некоторое время к батарее с помощью переключателя. При

этом конденсатор получит энергию

[pic]

где qm — заряд конденсатора, а С — его электроемкость. Между обкладками

конденсатора возникнет разность потенциалов Um.

Переведем переключатель в положение 2. Конденсатор начнет разряжаться, и в

цепи появится электрический ток. Сила тока не сразу достигает максимального

значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением

самоиндукции. При появлении тока возникает переменное магнитное поле. Это

переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле в

проводнике. Вихревое электрическое поле при нарастании магнитного поля

направлено против тока и препятствует его мгновенному увеличению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но

одновременно возрастает энергия магнитного поля тока, которая определяется

формулой

[pic]

где i сила тока,. L — индуктивность катушки. В момент, когда конденсатор

полностью разрядится (q=0), энергия электрического поля станет равной нулю.

Энергия же тока (энергия магнитного поля) согласно закону сохранения

энергии будет максимальной. Следовательно, в этот момент сила тока также

достигнет максимального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки

становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу.

Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное

им магнитное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое

поле, которое направлено по току и поддерживает его.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно

уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поля в этот момент

также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять

станет максимальной.

После этого конденсатор вновь будет перезаряжаться и система возвратится

в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс

продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бы незатухающими. Через

промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторялось

бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка

и соединительные провода обладают сопротивлением R, и это ведет к

постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю

энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии

магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти

колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура

находится по формуле :

[pic]

Билет № 18

1. Индуктивность. Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой

I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое пронизывает

площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что

магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а

модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током,

пропорционален силе тока 1. Из этого следует

[pic]

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком,

создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводником, называют

индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а

также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него.

Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей

проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током,

текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является

постоянной величиной при любой силе тока, идущего в нём. Это имеет место,

когда проводник находится в среде с диамагнитными или парамагнитными

свойствами. В случае ферромагнетиков индуктивность зависит от силы тока,

проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн

= 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого проводника, при протекании по

которому тока силой 1А возникает магнитный поток, пронизываю площадь,

охватываемую проводником, равный 1Вб.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же

проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоиндукцией, а

саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объясняется

следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порождает вокруг себя

переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный

поток, изменяющийся со временем, через площадь, ограниченную проводником.

Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока

и приводит к появлению э.д.с. самоиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт

электрический ток. В момент времени t1 сила этого тока равна I1, а к

моменту времени t2 она стала равной I2. Тогда магнитный поток, создаваемый

током через площадь ограниченную проводником, в моменты времени t1 и t2

соответственно равен Ф1=LI1 и Ф2= LI2 , а изменение (Ф магнитного потока

равно (Ф = LI2 — LI1 = L(I2 — I1) = L(I, где (I =I2— I1 — изменение силы

тока за промежуток времени (t = t2 - t1. Согласно закону электромагнитной

индукции, э.д.с. самоиндукции равна: [pic]Подставляя в это выражения

предыдущую формулу, получаем

[pic]

Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна

быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет

собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, называемый

током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, противодействует

изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику

вокруг него возникает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно

показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с

индуктивностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

[pic]

Билет № 20

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые

Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении:

они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе

которых они получены.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из

максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого

внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие

распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на

электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с

места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии

иначе быть не может:

ведь один заряд непосредственно через пустоту <чувствует» присутствие

другого.

Согласно же представлению о близкодействии обстоит совершенно иначе и

много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него.

Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в

соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь

порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного

поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области

окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое

существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго

заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет

это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда.

Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был

вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В

этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в

его реальности.

Максвелл математически показал, что скорость распространения этого

процесса равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна. Представьте себе, что электрический заряд не

просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания

вдоль некоторой прямой. Заряд движется подобно грузу, подвешенному на

пружине, но только колебания его происходят со значительно большей

частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда

начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет

равен периоду колебаний .заряда. Переменное электрическое поле будет

порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою

очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем

расстоянии от заряда и т. д.

Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс образования

электромагнитного поля, порождаемого колеблющимся зарядом. Приведем лишь

конечный результат.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области,

возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся

электрических и магнитных полей. На рисунке 84 изображен «моментальный

снимок» такой системы полей.

Образуется так называемая электромагнитная волна,. бегущая по всем

направлениям от колеблющегося заряда.

Не надо думать, что электромагнитная волна, подобно волне на поверхности

воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены

в некотором масштабе значения векторов Ё и В в различных точках

пространства, лежащих на линии Os, в фиксированный момент времени. Никаких

гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды,

здесь нет.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во

времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее

достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от

заряда колебания происходят с различными фазами.

Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между

двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых

фазах, есть длина волны (. В данный момент времени значения векторов Е и В

меняются периодически в пространстве с периодом (.

Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и

индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения

волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы Ё и Й в электромагнитной волне перпендикулярны друг

другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать

буравчик с правой нарезкой от вектора Ё к вектору В то поступательное

перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом

существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т.

е. что они движутся с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн.

Электромагнитное воле излучается заметным образом не только при колебаниях

заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность

излученной волы тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с

постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля, подобно

развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы

обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле

«отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме

электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется

периодически в пространстве с изменением векторов Ё и В. Бегущая волна

несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью с вдоль направления

распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в

любой области пространства меняется периодически со временем.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не

дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его

смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

2. Принцип радиосвязи. Радиопередатчик. Для осуществления радиосвязи

необходимы радиопередатчик и радиоприёмник. Рассмотрим принцип действия

радиопередатчика, блок-схема которого приведена на рис. ‘77.1. Генератор

создаёт высокочастотные электромагнитные гармонические колебания с частотой

v . Пусть перед микрофоном находится звучащий камертон, создающий

механические гармонические колебания звуковой частоты Yзв. Эти колебания с

помощью микрофона преобразуются в электромагнитные колебания той же частоты

(рис. 77.2 6). Частота Yзв этих колебаний значительно меньше частоты Y

высокочастотных электромагнитных колебаний.

Колебания, создаваемые генератором и микрофоном, подаются в модулятор, в

котором происходит их сложение, в результате чего возникают

электромагнитные колебания с частотой Y, амплитуда которых изменяется с

частотой Yзв. Такие колебания называют амплитудно - модулированными (рис.

77.2 в). Затем модулированные колебания усиливаются и подаются на

антенну(открытый колебательный контур), которая излучает модулированные

электромагнитные волны.

Радиоприёмник. Блок-схема радиоприёмника показана на рис. 77.3.

Модулированные электромагнитные волны, излучаемые различными

радиостанциями, индуцируют в антенне модулированные электромагнитные

колебания разных частот. Изменяя величину ёмкости конденсатора и

индуктивности, добиваются совпадения собственной частоты колебательного

контура с частотой одной из передающей станции. Это приводит к тому, что в

колебательном контуре возникают вынужденные резонансные электромагнитные

колебания данной частоты. Амплитуды же колебаний с другими частотами будут

очень малы. Эти модулированные колебания рис. 77.2 в) усиливаются и

подаются в демодулятор (детектор). После его прохождения сила тока в цепи

изменяется со временем по закону, график которого приведён на рис. 77.4.

далее происходит преобразование этого тока в ток, сила которого изменяется

со временем со звуковой частотой Yзв рис.77.2б). Затем этот ток усиливается

и протекает через динамик, который преобразует электромагнитные колебания в

звуковые той же частоты. В результате этого динамик воспроизводит

механические колебания, происходящие перед микрофоном передающей станции.

Принцип радиопередачи используют в телевидении, радиолокации, в

различных видах телефонной (сотовой) связи.

Билет № 21

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромагнитные

волны с частотой v, лежащей в интервале от [pic] до [pic]Гц. Диапазон

световых волн чаще выражают в длинах волн в вакууме (практически в

воздухе). Используя соотношение длины [pic]световой волны с частотой

колебания, находим, что длины волн света в вакууме заключены в пределах от

0,75 до 0,4 мкм. Установлено, что цветовое воздействие света на глаз

человека обусловлено его частотой. Так, световые волны с частотой [pic] Гц

воспринимаются как красный свет, а с частотой [pic]Гц как фиолетовый.

Показано также, что световые волям, отличающиеся подлине волны менее чем на

2 нм, воспринимаются как одноцветные.

1. Интерференция волн. Интерференцией волн называют явление усиления и

ослабления волн в определённых точках пространства при их наложении.

Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называются

такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фаз колебаний

не зависит от времени. Геометрическое место точек, в которых происходит

усиление или ослабление волн соответственно называют интерференционным

максимумом или интерференционным минимумом, а их совокупность носит

название интерференционной картины. В связи с этим можно дать иную

формулировку явления. Интерференцией волн называется явление наложения

когерентных волн с образованием интерференционной картины.

Пусть волны создаются когерентными источниками O1 и О2. Рассмотрим

точку М, находящуюся на расстоянии l1 и l2 от источника (рис. 83.1), в

которой происходит наложение

волн. Установлено, что волны усиливают друг друга, если [pic] и ослабляют

друг друга, когда [pic] где ( — длина волны, [pic] Величина (l = l1 -

l2, т.е. разность расстояний от источников до рассматриваемой точки,

называется геометрической разностью хода волн. С учётом этого следует, что

когерентные волны, раслространяющиеся в одной среде, усиливаются в точках,

для которых геометрическая разность хода равна целому числу длин волн, и

ослабляется, когда она составляет полуцелое число длин волн.

Явление интерференции света используется для контроля качества обработки

поверхностей, просветления оптики, измерения показателей преломления

вещества и т.д.

Дифракция света. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об

этом свидетельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами

при освещении их точечными источниками света. Однако если размеры

препятствий становятся сравнимыми с длиной волны, то прямолинейность

распространения волн нарушается. Явление огибания волнами препятствий

называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в область

геометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопровождаются

появлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета.

Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света

на мельчайших его вкраплениях.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили

дифракционные решётки, представляющие собой систему узких параллельных

щелей одинаковой ширины, расположенных на одинаковом расстоянии d друг от

друга. Это расстояние называют постоянной решётки. Дифракционные решётки

изготавливаются с помощью специальной машины, наносящей штрихи (царапины)

на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина,

материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются

прозрачными и играют роль щелей. Это так называемые прозрачные решётки.

Существуют и отражательные решётки, которые получают нанесением штрихов на

металлическое зеркало. Действие обеих типов решёток практически не

отличается, поэтому рассмотрим явления, происходящие только в прозрачных

решётках. Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает

параллельный пучок монохроматического света (плоская монохроматическая

световая волна). Для наблюдения дифракции за ней помещают собираюпхую линзу

Л, в фокальной плоскости которой располагают экран Э(рис. 84.1, на котором

приведён вид в плоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к

дифракционной решётке, а также показаны только лучи у краёв щелей).

Вследствие дифракции из щелей исходят световые волны во всех направлениях.

Выберем одно из них, составляющее угол ( с направлением падающего света.

Этот угол называют углом дифракции. Свет, идущий из щелей дифракционной

решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнее в полосе,

проходящей через эту точку). Геометрическая разность хода (l между

Страницы: 1, 2, 3, 4