67. Энергия и импульс электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга.

Возможность обнаружения электромаг­нитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей w_эл и w_м электриче­ского и магнитного полей: w = w_эл+w_м=₀E²/2+₀H²/2.

Получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент вре­мени одинакова, т. е. w_эл = w_м. Поэтому w =2w_эл=₀Е² =₀₀ЕН. Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде, получим модуль плотности потока энергии: S=wv=EH. Так как векторы Е и Н взаимно пер­пендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энер­гии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнит­ной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга: S = [EH]. Вектор S направлен в сторону рас­пространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу вре­мени через единичную площадку, перпен­дикулярную направлению распростране­ния волны.

Существование давления электромаг­нитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механи­ческий импульс. Импульс электромагнит­ного поля p=W/c, где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р=mc (поле в ва­кууме распространяется со скоростью с), получим p = mc=W/c, откуда W = mc². Это соотношение между массой и энергией свободного электромагнитного поля явля­ется универсальным законом природы.

68. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн.

Простейшим излучателем электромагнит­ных волн является электрический диполь, электрический момент которого изменяет­ся во времени по гармоническому закону р = р₀cost, где р₀ — амплитуда вектора р. Примером подобного диполя может служить система, состоящая из покоящегося положительно­го заряда +Q и отрицательного заряда -Q, гармонически колеблющегося вдоль направления р с частотой .

Характер электромагнитного поля ди­поля зависит от выбора рассматриваемой точки. Особый интерес представляет так называемая волновая зона диполя — точ­ки пространства, отстоящие от диполя на расстояниях r, значительно превышающих длину волны (r>>),— так как в ней картина электромагнитного поля диполя силь­но упрощается. Это связано с тем, что в волновой зоне диполя практически оста­ются только «отпочковавшиеся» от дипо­ля, свободно распространяющиеся поля, в то время как поля, колеблющиеся вместе с диполем и имеющие более сложную структуру, сосредоточены в области рас­стояний r<=.

Если волна распространяется в одно­родной изотропной среде, то время про­хождения волны до точек, удаленных от диполя на расстояниеr, одинаково. Поэто­му во всех точках сферы, центр которой совпадает с диполем, фаза колебаний оди­накова, т. е. в волновой зоне волновой фронт будет сферическим и, следователь­но, волна, излучаемая диполем, есть сфе­рическая волна. В каждой точке векторы Е и Н ко­леблются по закону cos(t-kr), амплиту­ды этих векторов пропорциональны 1/rsin (для вакуума), т. е. зависят от расстояния r до излучателя и угла  между направле­нием радиуса-вектора и осью диполя. От­сюда следует, что интенсивность излуче­ния диполя в волновой зоне I~sin²/r². Зависимость I от  при заданном значении r, приводимая в полярных ко­ординатах (рис.228), называется диаг­раммой направленности излучения дипо­ля. Как видно из приведенной диаграммы, диполь сильнее всего излучает в направлениях, перпенди­кулярных его оси (=/2). Вдоль своей оси (=0 и =) диполь не излучает вообще. Диаграмма направленности излу­чения диполя позволяет формировать из­лучение с определенными характеристиками и используется при конструировании антенн.

Впервые электромагнитные волны бы­ли использованы через семь лет после опытов Герца. 7 мая 1895 г. преподаватель физики офицерских минных классов А.С.Попов на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире радио­приемник, открывший возможность прак­тического использования электромагнит­ных волн для беспроволочной связи, пре­образившей жизнь человечества. Первая переданная в мире радиограмма содержа­ла лишь два слова: «Генрих Герц». Изо­бретение радио Поповым сыграло огром­ную роль в деле распространения и разви­тия теории Максвелла.

Для электромагнитных волн характер­но явление дифракции — огибания волна­ми различных препятствий. Именно благо­даря дифракции радиоволн возможна устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами, разделенными между собой вы­пуклостью Земли. Длинные волны применяются в фототе­леграфии, короткие волны применяются в телевидении для передачи изображений на небольшие расстояния (немногим больше пределов прямой видимости). Электромагнитные волны используются также в радиогеоде­зии для очень точного определения рассто­яний с помощью радиосигналов, в радио­астрономии для исследования радиоизлу­чения небесных тел и т. д.

53. Принцип действия трансформаторов, при­меняемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции.

Первичная и вторичная катушки (обмот­ки), имеющие соответственно n₁ и N₂ вит­ков, укреплены на замкнутом железном сердечнике. Так как концы первичной об­мотки присоединены к источнику перемен­ного напряжения с э.д.с. ξ₁, то в ней возникает переменный ток I₁, создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который практически полностью локализован в железном сер­дечнике и, следовательно, почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Изменение этого потока вызывает во вто­ричной обмотке появление э.д.с. взаим­ной индукции, а в первичной — э.д.с. самоиндукции.

Ток I₁ первичной обмотки определяется согласно закону Ома: где R₁ — сопротивление первичной обмот­ки. Падение напряжения I₁R₁ на сопро­тивлении R₁ при быстропеременных полях мало по сравнению с каждой из двух э.д.с., поэтому .Э.д.с. взаимной индукции, возникающая во вторичной обмотке,

Получим, что э.д.с., возникающая во вто­ричной обмотке, где знак минус показывает, что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках противоположны по фазе.

Отношение числа витков N₂/N₁, по­казывающее, во сколько раз э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора боль­ше (или меньше), чем в первичной, на­зывается коэффициентом трансформации.

Пренебрегая потерями энергии, кото­рые в современных трансформаторах не превышают 2 % и связаны в основном с выделением в обмотках джоулевой теп­лоты и появлением вихревых токов, и при­меняя закон сохранения энергии, можем записать, что мощности тока в обеих об­мотках трансформатора практически оди­наковы: ξ₂I₂ξ₁I₁, найдем ξ₂/ξ₁=I₁/I₂ = N₂/N₁, т. е. токи в обмотках обратно пропорцио­нальны числу витков в этих обмотках.

Если N₂/N₁>1, то имеем дело с повы­шающим трансформатором, увеличиваю­щим переменную э.д.с. и понижающим ток (применяются, например, для переда­чи электроэнергии на большие расстояния, так как в данном случае потери на джоулеву теплоту, пропорциональные квадрату силы тока, снижаются); если N₂/N₁<1, то имеем дело с понижающим трансформатором, уменьшающим э.д.с. и повышающим ток (применяются, на­пример, при электросварке, так как для нее требуется большой ток при низком напряжении).

Трансформатор, состоящий из одной об­мотки, называется автотрансформатором. В случае повышающего автотрансформа­тора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается со всей об­мотки. В понижающем автотрансформато­ре напряжение сети подается на всю об­мотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки.