Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

§ 28. Електромагнітні хвилі

Властивості електромагнітних хвиль. Як ви знаєте, можливість існування електромагнітних хвиль теоретично довів Джеймс Максвелл. У своїх теоретичних розрахунках Максвелл показав, що якби електромагнітна хвиля існувала, то вона б мала поширюватись у середовищі зі швидкістю світла. Що підтверджувало, що світло — це один з діапазонів електромагнітних хвиль. Практично отримав їх Генріх Герц у 1888 р.

Про електромагніті хвилі ми вже дещо знаємо з курсу фізики 9 класу. Пригадати основні відомості можна в електронному додатку.

Для отримання електромагнітних хвиль використовують відкритий коливальний контур, який складається з двох провідників, з’єднаних один з одним через котушку індуктивності (мал. 121).

Мал. 121. Відкритий коливальний контур

Відкритий коливальний контур випромінює електромагнітні хвилі, оскільки в процесі коливань у контурі електрони рухаються з прискоренням. Ефективність контура залежить від розмірів антени: вона не повинна бути меншою від четвертої частини найбільшої довжини хвилі, яка має випромінюватися. Мінімальна довжина антени:

Оскільки електромагнітні хвилі генеруються електричним струмом, тобто зарядженими частинками, що рухаються з прискоренням, то правильним буде й загальне твердження: електричний заряд під час прискореного руху є джерелом електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі — це явище поширення в просторі електромагнітних коливань, тобто взаємопов’язаних коливань електричного й магнітного полів, які являють собою єдине електромагнітне поле. У довільній точці вектори Е і В взаємно перпендикулярні та перпендикулярні до напрямку поширення (мал. 122).

Мал. 122. Схематичне зображення плоскополяризованої електромагнітної хвилі

Вивчаючи механічні хвилі, ми ознайомились із деякими характеристиками хвильового руху: фронт хвилі, промінь, довжина хвилі. Усі ці поняття застосовні і для електромагнітних хвиль.

В усіх інерціальних системах швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі однакова й дорівнює

У речовинах швидкість поширення електромагнітних хвиль залежить від електричних і магнітних властивостей середовища і зменшується в n разів:

де ε і μ — відповідно діелектрична та магнітна проникності середовища.

Довжина електромагнітної хвилі: λ = сТ = 2пc√LC.

Звертаємо увагу на те, що під час переходу з одного середовища в інше частота коливань не змінюється. Змінюється швидкість поширення та довжина хвилі.

Електромагнітні хвилі є поперечними хвилями, але на відміну від механічних хвиль у них відбуваються коливання полів, а не речовини.

За довжиною хвилі λ або частотою коливань (ν) межі діапазону електромагнітних хвиль — від 1011 м (3 · 10-3 Гц) до 10-11 м (3 · 1019 Гц). Цей діапазон уміщує радіохвилі, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та γ (гамма)-випромінювання (мал. 123).

Мал. 123. Шкала електромагнітних хвиль

Ще Генріх Герц провів низку дослідів з вивчення властивостей електромагнітних хвиль. Для проведення подібних досліджень використовують генератор і приймач електромагнітних хвиль, що мають спеціальні рупорні антени для забезпечення напрямленого випромінювання та прийому хвиль. Індикатором прийому хвиль слугує вольтметр.

Унаслідок проведених дослідів було з’ясовано, що електромагнітні хвилі відбиваються провідником (мал. 124). Кут відбиття електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої іншої природи, дорівнює кутові падіння.

Мал. 124. Установка для дослідження відбиття електромагнітних хвиль

Під час падіння електромагнітної хвилі на деяку поверхню, що розмежовує середовища, частина енергії хвилі відбивається від поверхні іншого середовища, частина проникає всередину його, причому певна кількість енергії може пройти крізь середовище, якщо воно прозоре для електромагнітної хвилі, решта енергії поглинається середовищем, спричинюючи його нагрівання або інші процеси.

Отже, на межі двох середовищ електромагнітна хвиля поділяється на відбиту хвилю і хвилю, що проходить у середовище, при цьому напрямок поширення хвилі в середовищі відрізняється від початкового — хвиля зазнає заломлення.

Спостерігати заломлення електромагнітних хвиль можна на такому досліді. Розташуємо рупори антен так, щоб сигнал не потрапляв у приймальну антену (мал. 125, а). Якщо ж розташувати між рупорами антен прямокутну призму з діелектрика (наприклад, парафіну), то прийом сигналу відбувається (мал. 125, б). Дослід доводить, що електромагнітні хвилі заломлюються на межі двох середовищ. Зрозуміло, що закон заломлення електромагнітних хвиль такий самий, як у випадку світлових хвиль.

Мал. 125. Заломлення електромагнітних хвиль

На досліді можна також спостерігати поляризацію хвиль і переконатись у тому, що електромагнітні хвилі — поперечні. Для цього між генератором і приймачем розміщують решітку з паралельних металевих стержнів (мал. 126). Повертаючи решітку, спостерігають підсилення прийнятого сигналу і його послаблення аж до повної відсутності. Приймання відсутнє тоді, коли вектор напруженості електричного поля Е падаючої електромагнітної хвилі паралельний стержням. За цих умов у стержнях збуджуються струми й решітка відбиває падаючі хвилі подібно до суцільної металевої пластини. Якщо вектор Е перпендикулярний до стержнів, значні струми не збуджуються, й електромагнітна хвиля проходить крізь решітку. Отже, електромагнітна хвиля поляризована — вектор напруженості має фіксовану площину коливань. (Поясніть самостійно, чому в даному досліді розглядається положення саме вектора Е, а не В.)

Мал. 126. Дослід з поляризації електромагнітних хвиль

Тут описано не всі основні властивості електромагнітних хвиль. Повніші відомості отримаємо під час вивчення світлових хвиль.

Використання електромагнітних хвиль. Людство сьогодні живе у «хвильовому просторі» (мал. 127). Із часів існування життя на Землі всі організми перебувають під впливом природного електромагнітного випромінювання, джерелами якого є космічні об’єкти: зорі, пульсари, туманності. З розвитком техніки й технологій, крім природних джерел, з’являється дуже багато штучних, які випромінюють електромагнітні хвилі різних діапазонів.

Мал. 127. Природні та штучні джерела електромагнітного випромінювання

Життя сучасного суспільства неможливе без постійного обміну інформацією. Радіо, телебачення і стільниковий зв’язок відіграють у цьому неабияку роль. Створення й модернізація сучасних інформаційних засобів стали можливими завдяки тому, що можна задавати відповідні параметри електричного сигналу, кодувати його, посилювати, передавати.

Низькочастотні електромагнітні хвилі, що утворюються під час роботи різних електротехнічних пристроїв, які живляться змінним струмом низької частоти, мають низьку енергію і не придатні для передачі інформації в атмосфері на великі відстані. Саме тому невдача спіткала багатьох відомих дослідників і винахідників, які намагалися передавати інформацію за допомогою електромагнітних хвиль низької частоти. Придатними для цього є радіохвилі з довжиною в діапазоні від 0,1 мм до 10 км і частотою 3 · 104 - 3 · 1012 Гц. Увесь радіодіапазон електромагнітних хвиль поділяється на: довгі, середні, короткі, ультракороткі.

Проте сама електромагнітна хвиля зі сталими параметрами, поширюючись у просторі, може нести інформацію лише про свою наявність. Для передавання різноманітної інформації за допомогою електромагнітних хвиль застосовують різні способи кодування сигналу. Варто зазначити, що зі збільшеннями частоти кількість інформації, яку може нести хвиля, збільшується, тому збільшення несучої частоти в сучасному світі є закономірним. Але поширення довгих і коротких хвиль залежить від погодних умов. Головною їхньою перевагою є те, що вони можуть поширюватися поза прямою видимістю. Ультракороткі хвилі набули широкого використання для роботи радіостанцій, мобільних телефонів, Wi-Fi, Wi-Мах, 3G і т. п. Але такі хвилі обмежені прямою видимістю, і максимальна відстань передачі залежить від відстані до горизонту та висоти антени.

Дослідження Ніколи Тесли, Гульєльмо Марконі, Олександра Степановича Попова підвели до винайдення радіозв’язку. Основним принципом радіозв’язку є використання передавача та приймачів кодованого сигналу. Залежно від способу кодування розрізняють аналоговий і цифровий зв’язок. Аналоговий полягає в тому, що сигнал у передавачі модулюється — накладаються низькочастотні (звукові сигнали) на несучу радіохвилю, а в приймачі — демодулюється — «виокремлюються» звукові хвилі з радіохвилі. Нині повсюди використовується цифровий зв’язок, зокрема й для передачі аналогових сигналів, які спочатку оцифровуються. Сучасні системи цифрового зв’язку використовують кабельні (з-поміж них волоконно-оптичні), супутникові, радіорелейні й інші засоби та способи передачі сигналу.

Детальніше про властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів, принцип радіотелефонного й стільникового зв’язку читайте в електронному додатку.

Радіо-, рентгенівські та гамма-телескопи. Джерелами електромагнітного випромінювання є космічні об’єкти. В астрономії працюють з усіма довжинами хвиль, з яких складається електромагнітний спектр. Оскільки атмосфера Землі пропускає не всі види випромінювань, науковці шукають шляхи вирішення цієї проблеми. Багато століть поспіль люди спостерігали зоряне небо лише через вузьке «оптичне вікно» атмосфери. З XIX ст. Всесвіт почали вивчати в інфрачервоних променях. На початку 30-х років XX ст. з розвитком радіотехніки стало можливим дослідження небесних об’єктів у радіодіапазоні. Із середини XX ст., коли з’явилася можливість відправити за межі атмосфери Землі наукові прилади, астрономи отримали змогу виконувати спостереження небесних тіл у всьому діапазоні електромагнітного спектра.

Принципова схема будови радіотелескопа не відрізняється від будови телескопа-рефлектора: космічне радіовипромінювання збирає металеве дзеркало параболічної форми — іноді суцільне, іноді ґратчасте, а приймач радіохвиль — не людське око, фотопластинка чи цифрова матриця, а високочутливий радіоприймач. Дзеркало фокусує радіохвилі на антену, внаслідок чого в ній виникає швидкозмінний електричний струм, який спеціальні провідники — хвилеводи — передають до радіоприймача, з’єднаного з комп’ютером.

На малюнку 128, а зображено найбільший у світі радіотелескоп. Його антени нерухомі й завжди спрямовані в зеніт, але внаслідок добового обертання Землі та можливості зміщувати опромінювач їм доступна значна частина небесної сфери.

Мал. 128. Найбільші радіотелескопи: а — з одним «дзеркалом», провінція Гуйчжоу, Китай, 2016 р.; б — декаметрових хвиль, Харківська область, Україна, 1970 р.

В Україні під Харковом працює найбільший у світі радіотелескоп декаметрового діапазону — УТР-2 (мал. 128, б). Упродовж багатьох років на УТР-2 було отримано величезний обсяг астрофізичної інформації. Доступними для досліджень виявилися практично всі об’єкти Всесвіту — від найближчого оточення Землі й Сонячної системи до нашої Галактики та найвіддаленіших об’єктів — радіогалактик і квазарів.

Для суттєвого підвищення роздільної здатності радіотелескопів астрономи використовують радіоінтерферометри — пристрої, що працюють в радіодіапазоні з використанням інтерференції.

Телескопи, що реєструють випромінювання небесних тіл у діапазоні високих енергій (рентгенівські та гамма), ще називають детекторами (мал. 129).

Мал. 129. Гамма-детектор

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Назвіть відомі вам властивості електромагнітних хвиль. 2. Чому для передавання радіосигналів потрібно використовувати високочастотні електромагнітні хвилі?

Приклади розв'язування задач

Задача. Радіолокатор працює на довжині хвилі 20 см і дає 5000 імпульсів за секунду, причому тривалість кожного імпульсу — 0,02 мкс. Скільки коливань міститься в одному імпульсі та яка найбільша глибина розвідки локатора?

Вправа 22

1. Коливальний контур радіоприймача настроєно на частоту 6 МГц. У скільки разів треба змінити ємність конденсатора контура, щоб налаштуватися на довжину хвилі 150 м?

2. Антена корабельного радіолокатора розташована на висоті 25 м над рівнем моря. На якій максимальній відстані радіолокатор може виявити рятувальний пліт? З якою частотою можуть при цьому випускатися імпульси?

3. Радіолокатор працює на хвилі 5 см і випускає імпульси тривалістю 1,5 мкс. Скільки коливань міститься в кожному імпульсі? Яка мінімальна дальність виявлення цілі?

Виконуємо навчальні проекти

  • Як пов'язані електромагнітні хвилі й технологічна революція? Що таке індустрія 4.0? Суспільство 5.0?
  • Можливості бездротового зв'язку.
  • Як далеко можна «бачити» за допомогою електромагнітних хвиль?