Электромагнитные колебания и волны.

Электромагнитные колебания – это процесс периодического изменения электромагнитных величин, характеризующих ускоренное движение электрического заряда.

Амплитуда – это максимальное значение (по модулю) изменяющейся физической величины.

Период – это время совершения одного полного колебания. СИ [Т]= 1 c

Частота – это число колебаний за одну секунду. СИ [ν]= 1 c^-1 = 1 Гц

Циклическая частота – это число колебаний тела за 2π секунд. [ω] = 1 рад/с

Формула Томсона для колебательного контура

С i L W_э = ; W_м = ; + = const; W_э+ W_м= W_эмах= W_ммах

Если R ≠ 0, то наблюдаются затухающие колебания. W_эл= Q

Если R=0, то наблюдаются гармонические колебания.

Гармонические колебания - колебания заряда на конденсаторе, которые происходят по закону косинуса (или синуса). q

q = q_mcos t q_m = CU_m – амплитуда заряда Т t

i = q´ производная i

i = I_m cos (t+) I_m = q_mw- амплитуда силы тока Т t

u = U_mcos t U_m =q_m/С-амплитуда напряжения u

Т t

W_э = = W_э

W_м = W_м 2Т t

2Т t

W_пол= W_э+W_м= W_{э max}= W_{м max}= const W_пол

мгновенные зн. амплитудные зн. t

+ = =

Переменный ток.

Принцип получения тока основан на явлении ЭМИ (электромагнитной индукции)

Ф = BS·cos α = BS·cos ωt

u= U_msin ωt i= I_msin(ωt+φ)

ε = ε_msin ωt ε_m= BSω=2Blrω=2Blr²υ, где l – длина рамки, r - радиус вращения рамки

Переменный электрический ток – это незатухающие вынужденные колебания силы тока и напряжения на участке цепи.

Активное сопротивление.

i – мгновенное значение силы переменного тока

I – действующее значение силы переменного тока равно силе постоянного тока, выделяющего в цепи такое же количество теплоты, что и переменный ток за это время.

I_m – максимальное (амплитудное) значение силы тока равно силе постоянного тока.

В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения, а амплитуда силы тока равна амплитуде напряжения, деленной на сопротивление.

Ёмкостное сопротивление.

i=q^'= U_mCω cos ωt = U_mCω sin (ωt+π/2)

I_m=U_mCω; ; = UωC = U2C

Колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на π/2.

Индуктивное сопротивление.

u=U_msin ωt;

; ; = =

Колебания силы тока отстают по фазе от колебаний напряжения на π/2.

Реальный участок цепи (последовательное соединение).

u=U_msinωt i=I_msin(ωt+φ)

Сдвиг фаз:

Наблюдается резонанс, если R – мало, X_L=X_C

Трансформатор – прибор для преобразования переменного напряжения.

N₁< N₂, трансформатор повышающий

N₁>N₂, трансформатор понижающий

I₂ = 0, U₂ = ЭДС₂ – холостой ход КПД: , η = 90 ÷ 99 %

Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.  = сТ = с/

Свойства электромагнитной волны:

1. Поперечность волны (рис.),

2. Распространение с постоянной скоростью: с=3·10⁸м/с – в вакууме. , в веществе .

3. Волны могут поглощаться диэлектрическими телами.

4. Отражаются от металлических поверхностей.

5. Наблюдается интерференция и дифракция волн.

Свойства процесса излучения:

- Равномерно движущийся заряд волну не излучает.

- Заряд, движущийся с ускорением, излучает волны с мощностью пропорциональной квадрату ускорения. (Р ≈ а²)

- При излучении волн колебательной системой мощность излучения пропорциональна четвертой степени частоты. (Р ≈ ω⁴)

Шкала электромагнитных волн

1. Низкочастотные (переменный ток) (от 3·10^-3 Гц до 2·10⁴ Гц) генерируются электрическими генераторами. Излучение незначительное, поэтому им пренебрегают.

2. Радиоволны (от 2·10⁴ Гц до 3·10¹² Гц) генерируются вибраторами Герца, антеннами. Излучение имеет такое значение, что пренебрежение невозможно. При длительном облучении приводит к головной боли.

3. СВЧ излучение (от 1·10⁹ Гц до 3·10¹² Гц) генерируются валентными электронами атома, изменяющими направление спина, молекулами вещества, изменяющими скорости своего вращения. Для данного вида излучения атмосфера земли становится прозрачной.

4. Инфракрасное излучение (тепловое) (от 3·10¹¹ Гц до 3·10¹⁴ Гц) генерируются нагретыми телами, колеблющимися и вращающимися молекулами вещества. Не вызывают зрительных ощущений. Черное стекло, черная бумага – прозрачны для этих волн, вода, водяные пары – не прозрачны.

5. Световые волны (от 4·10¹⁴ Гц до 8·10¹⁴ Гц) генерируются телами, нагретыми до сравнительно высокой температуры (например, лампа накаливания), валентными электронами в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды движущиеся ускоренно.

6. Ультрафиолетовое излучение (от 8·10¹⁴ Гц до 3·10¹⁶ Гц) генерируются телами, нагретыми до высокой температуры(3000°C и выше), валентными электронами атомов и молекул, а также свободные заряды движущиеся ускоренно. Поглощается стеклом, отражается от металлов, ионизирует воздух. В малых дозах оказывает благотворное оздоровительное влияние на человека, активизируя синтез витамина D в организме, а также вызывая загар. Большая доза вызывает ожог кожи и раковые новообразования, ослабляет иммунную систему человека.

7. Рентгеновское излучение (от 3,7·10¹⁵ Гц до 3·10²⁰ Гц) генерируется при торможении заряженных частиц твердым веществом, изменением состояния электронов внутренних оболочек атомов и молекул, а также ускоренно движущиеся свободные электроны. Обладают сильной проникающей способностью, ионизируют воздух. Большая доза облучения приводит к ожогам и изменению структуры крови человека.

8. Гамма-излучение (от 3·10¹⁹ Гц) генерируется при распаде ядра? При изменении энергетического состояния атомного ядра, а также ускорение свободных заряженных частиц. Обладают мощной проникающей способностью, проходя через живую ткань, вызывают ионизацию атомов. Большая доза вызывает нарушение функции деления клеток, летальный исход.

Радиолокация – это обнаружение и определение местоположения объекта с помощью радиоволн.

Радиовещание – это передача в эфир речи, музыки, звуковых эффектов с помощью электромагнитных волн.

Чтобы передача звуковых волн осуществлялась, сигнал модулируют.

Амплитудная модуляция – изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала.

Детектирование (демодуляция) – процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты.