Энергия и поток энергии электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля. Эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме

а магнитного поля –

Так как модули вектора напряженности электрического и индукции магнитного поля в электромагнитной волне связаны соотношением , то полную энергию можно выразить только через напряженность электрического поля или индукцию магнитного поля:

Формула (1.5) характеризует плотность энергии в любой момент времени в любой точке пространства.

Тем не менее, Озон - очень дефицитный газ, даже в районах с максимальной концентрацией, поэтому слой «Озон» вводит в заблуждение. Любопытно, что озон также поглощает фотоны инфракрасного излучения определенных частот, что может объяснить его наблюдаемый вклад в парниковый эффект нашей атмосферы. Видимый свет является частью наиболее распространенного электромагнитного излучения в солнечных излучении и, что не удивительно, является формой такого рода энергии, более тесно связанной с явлением жизни.

Фактически, можно сказать, что жизнь - это явление, сделанное в меру этого типа излучения. Видимый свет не только образует самую важную часть спектра солнечной эмиссии, но и атмосфера значительно прозрачна для этого типа излучения, поскольку фотоны видимого света мало взаимодействуют с основными газами в атмосфере. Вот почему было сказано, что атмосфера имеет «оптическое окно», которое позволяет видимому свету достигать заметного процента к поверхности планеты.

Если выделить площадку с площадью s , ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку пройдет энергия , равная

где – скорость электромагнитной волны в вакууме.

Плотностью потока энергии называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади, перпендикулярной к направлению распространения волны:

Эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме

Атмосфера непрозрачна для гамма-лучей, рентгеновских лучей и большей части ультрафиолетового излучения. Тем не менее, он очень «прозрачен» для видимого света, который с трудом достигает поверхности планеты. Видимый свет не считается ионизирующим излучением, но, как ни парадоксально, краеугольный камень самой жизни на Земле основан на контролируемых светом системах ионизации в растениях. Фотосинтетические пигментные сборки, которые присутствуют в мембранах хлоропластов растительных клеток, специализируются на поглощении и передаче энергии от легких фотонов к конкретным электронам хлорофилла.

(1.6)

Подставляя в последнее соотношение выражения для и , получим

Электромагнитные волны

Передача энергии и информации от передатчика к приемнику происходит при помощи электромагнитных волн (ЭМВ) или радиоволн, которые представляют собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле высокой частоты. Электромагнитное поле - это совокупность взаимосвязанных электрического (Е ) и магнитного (Н ) полей. Взаимосвязь заключается в том, что изменения напряженности электрического поля приводят к появлению магнитного поля, а изменяющееся магнитное поле вызывает появление электрического.

Эти электроны настолько сильно увеличивают свой энергетический уровень, что они уходят от атомов, частью которых они являются, которые транспортируются через ряд молекул, которые образуют цепь электронного транспорта. Это очень контролируемая ионизация не только проведением вылетающих электронов, но и потому, что электроны, потерянные хлорофиллом, быстро заменяются неисчерпаемым источником воды из молекул, что обеспечивает стабильность всех системы. Электронные транспортные системы, которые являются частью процесса фотосинтеза, фактически основаны на процессах контролируемой ионизации молекул хлорофилла и переноса электронов.

На рис. 1 дано векторное изображение электромагнитной волны (ЭМВ), распространяющейся вдоль оси z . Стрелками - векторами* показаны направление и величина (напряженность) полей E и H в разных точках на оси z в фиксированный момент времени. Вся картина движется вдоль оси z со скоростью света с = 300000 км/сек . Направление распространения связано по правилу винта с направлением поворота вектора E к вектору H по кратчайшему пути. Расстояние между двумя соседними гребнями (или впадинами) изменений поля E называется длиной волны λ. Длина волны связана с частотой f передатчика формулой:

Что будем делать с полученным материалом

Природа «научилась» использовать взаимодействие между электромагнитным излучением и фотосинтезом. В любом случае любопытно отметить, что такие же процессы взаимодействия между электромагнитным излучением и веществом, которые могут оказывать деструктивное воздействие на живые структуры, также могут быть ключом к энергоснабжению процессов живых существ, когда они происходят контролируемой формы. Еще раз, молекулярные проекты Природы удивляют нас своей элегантностью и эффективностью.

Электромагнитное излучение наводняет Вселенную с самого начала и постоянно доходит до нас из космоса, предлагая нам ценную информацию о небесных телах, которые ее составляют, а также о ранних стадиях ее формирования. Из всех форм энергии ни один из них не может быть столь же существенным или смертельным в одно и то же время для жизни, как электромагнитное излучение.

* Вектором A называется отрезок прямой, имеющий длину A и заданное направление.

Между величинами E и H в ЭМВ существует однозначная зависимость

где μ и ε - магнитная и диэлектрическая проницаемости среды. Величину электромагнитного поля оценивают поэтому напряженностью только одного, чаще электрического поля E в вольтах на метр (в/м ).

Что такое электромагнитное излучение?

В действительности, и, несмотря на широкое использование, мы делаем это, эта форма энергии не знала точно до немногим более века назад, и все еще есть много деталей, которые еще не полностью поняты. Электромагнитное излучение представляет собой форму энергии, которая может распространяться или проходить через пустоту. Хотя он также может распространяться с помощью материальных средств, таких как воздух, вода или другие, он находится в вакууме, где электромагнитное излучение перемещается с большей эффективностью и скоростью.

Поляризация. Волна называется вертикально-поляризованной, если плоскость, проходящая через направление распространения и вектор E вертикальна. Если вектор E расположен в горизонтальной плоскости, то волна называется горизонтально-поляризованной. В общем случае вектор E может иметь и вертикальную и горизонтальную составляющие.

Фотоны против частицы материала

Говорить об этом необходимо одновременно учитывать два понятия, которые также не соответствуют самой повседневной версии, которую мы имеем от них. С одной стороны, считается, что электромагнитное излучение составлено или транспортируется очень особым типом частиц: фотонами. Фотоны - это частицы без массы, т.е. они не состоят из материи. Это, кстати, усложняет ситуацию, потому что довольно сложно представить частицу, которая не сделана из чего-либо материального. Проблема состоит в том, что понятие частицы существенно изменилось за последнее столетие.

Излучение ЭМВ. Передатчик излучает ЭМВ при помощи передающей антенны, которая преобразует высокочастотную энергию в энергию электромагнитного поля. Для эффективного излучения ЭМВ размеры антенны должны быть сравнимы с длиной волны. Например, провод длиной 1 м будет хорошим излучателем на диапазоне 2 м и малоэффективным на диапазоне 80 м . В свободно распространяющейся ЭМВ происходит непрерывный переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно.

Согласно классической физике, частица является точечным объектом с массой. Это называется материальной или классической частицей. Но в современной физике понятие частицы становится гораздо более открытым и сложным в свете квантовой механики. Частицы - это объекты, которые несут энергию, но не обязательно обладают массой.

Их положение в каждый момент времени не является конкретным, но может существовать одновременно в нескольких состояниях положения. Эта новая концепция частицы далека от нашего обычного восприятия Природы, так что, пытаясь представить себе, как фотон, трудно не увлечься классическим понятием частицы. На самом деле есть ученые, которые считают, что обращение к фотону как к частице является плохим подходом, который вызывает различные ошибки и порождает неправильное представление о том, что такое электромагнитное излучение.

Напряженность поля на расстоянии R [км ] от антенны, излучающей мощность PΣ [вт ] равномерно во всех направлениях, равна :

В свободном пространстве напряженность поля пропорциональна квадратному корню из мощности и обратно пропорциональна расстоянию. В рассмотренном случае волна распространяется во все стороны равномерно, и мы имеем так называемый сферический фронт* волны. На больших расстояниях сферический фронт можно считать плоским, а волну - плоской волной. Заметим, что перпендикуляр к поверхности фронта волны совпадает с направлением распространения, - это используется в радиопеленгации.

Сопоставление понятия фотона с термином «частица» приводит почти спонтанно, чтобы вообразить фотоны как светящиеся микроволны, движущиеся в пространстве, и это, конечно, очень далеки от реальности. Схема фотоэффекта. Фотон передает всю свою энергию электрону, принадлежащему атому. Энергия, поглощаемая электроном, заставляет его «убежать» с его атомной орбиты.

На самом деле понятие электромагнитной волны довольно раньше концепции фотона. Эта работа, которая содержит первую версию уравнений Максвелла, является одним из краеугольных камней понимания электромагнетизма, и на самом деле Эйнштейн сравнивал качество и ценность своей работы с работой Исаака Ньютона. Уравнения Максвелла представляют собой набор уравнений, которые математически описывают, как электромагнитные волны, но чтобы дать вам представление о концепции электромагнитной волны, лучше всего увидеть ее на следующем изображении.

Вертикально-поляризованные волны излучаются вертикальными антеннами типа штырь, луч, вертикальным симметричным вибратором, диско-конусной антенной. Горизонтально-поляризованные волны излучают горизонтальный диполь, петлевой вибратор, «квадрат».

* Фронт-это поверхность равных фаз, например, максимумов поля Е.

Индуктивность

Характеристики электромагнитных волн

Хотя электромагнитная энергия всегда движется с той же скоростью в вакууме, электромагнитные волны отличаются друг от друга по частоте и длине волны. Фактически, эту скорость можно описать простым выражением, которое связывает три величины и которые существуют для любой электромагнитной волны.

Эта формула также позволяет выразить длину волны в зависимости от частоты или частоты в зависимости от длины волны. Конечно, оба они обратно пропорциональны, т.е. чем больше длина волны, тем меньше ее частота. Зарядки и поля, окружающие схему, и примеры Дж. Пойнтинга по передаче электромагнитной энергии.

Индуктивностью (от латинского inductio - наведение, побуждение), называется величина, характеризующая связь между изменением тока в электрической цепи и возникающей при этом ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции. Индуктивность обозначается большой латинской буквой «L», в честь немецкого физика Ленца. Термин индуктивности предложил в 1886 году Оливер Хевисайд.

Зарядки и поля вокруг схемы и примеры Дж. Лаборатория вибраций и волн, физический факультет, Национальный университет Росарио, Росарио, Аргентина. В частности, он анализируется, если некоторые из гипотез, которые дает Пойнтинг в этих примерах, связаны с тем, что в то время роль поверхностного заряда на резистивных проводниках в понимании переноса энергии была проигнорирована. Аналитическое решение также представлено для потока энергии в разряде конденсатора через резистивный проводник.

Ключевые слова: поверхностные заряды, электрическое поле, энергетический поток. В частности, мы анализируем, не связано ли какое-то из гипотез Пойнтинга в этих примерах с этим временем роль поверхностного заряда на резистивных проводниках в понимании переноса энергии. Мы также представляем аналитическое решение для потока энергии в разряде конденсатора через резистивный проводник.

Величина магнитного потока, проходящего через контур, связана с силой тока следующим образом: Φ = LI . Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции контура или просто индуктивностью. Значение индуктивности зависит от размеров и формы контура, а также от магнитной проницаемости среды. Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн). Дополнительные величины: мГн, мкГн.

Пространство, окружающее электрическую цепь, можно рассматривать как область, в которой энергия преобразуется в определенных точках в электрические и магнитные поля с помощью батарей, генераторов и т.д. Тогда как в других частях эта энергия преобразуется в тепло или механическая работа Вектор Пойнтинга концептуализирует и количественно оценивает перенос энергии электромагнитным полем и обычно используется в университетских курсах бакалавриата как способ представления потока энергии электромагнитной волны.

В частности, они продемонстрировали, что эти поля определяются поверхностным зарядом на проводниках, несущих ток. Это было неизвестно во времена Дж. В разделе 4 мы показываем простым выводом, что поверхностный заряд проводников обеспечивает два типа электрического поля: поле внутри проводника, которое приводит ток проводимости в соответствии с законом Ом и поле вне провода, которое имеет нормальную составляющую и касательную к поверхности провода. Внешнее электрическое поле генерирует наряду с магнитным полем, окружающим проводник, поток Пойнтинга.

Зная индуктивность, изменение силы тока и время этого изменения, можно найти ЭДС самоиндукции, которая возникает в контуре:

Через индуктивность выражают также энергию магнитного поля тока:

Соответственно чем больше индукция, тем больше магнитная энергия, накапливаемая в пространстве вокруг контура с током. Индуктивность является своеобразным аналогом кинетической энергии в электричестве.

Применение закона переноса энергии, предложенного Пойнтингом. Прямой провод, несущий ток. В этом случае, очень близко друг к другу и внутри провода, линии магнитной силы окружены вокруг оси провода. Электрические силовые линии расположены вдоль провода, если мы считаем доказанным, что поток через равные площади поперечного сечения одинаковый во всех частях секции. Рассмотрим часть провода, ограниченную двумя плоскими сечениями, перпендикулярными оси. Полная энергия затем поступает через внешнюю поверхность провода, а по общей теореме количество входящей энергии должно учитывать тепло, которое развивается в сопротивлении, потому что ток неподвижен и нет другого изменения энергии.

39. Закон Ома для цепи переменного тока

где - амплитудное значение ЭДС; ω - циклическая частота. В этом случае и сила тока, возбуждаемого во внешней части цепи, будет изменяться по такому же закону:

Если значения емкости С и индуктивности L исследуемого участка цепи переменного тока пренебрежимо малы, то, используя закон Ома, найдем напряжение на участке цепи, сопротивление которого r :

Стоит, пожалуй, показать, что в этом случае энергия, входящая в соответствии с общей теоремой, представляет собой только количество тепла, которое развивается. Кажется, что энергия тока не движется по проволоке, но что она исходит из среды, окружающей провод, и что, как только она начинает превращаться в тепло, количество, которое пересекает последовательные слои проволоки, уменьшается до тех пор, пока прибывает в центр, где нет магнитного поля, и поэтому нет энергии, которая проходит, все превращается в тепло.

Можно сказать, что ток проводимости состоит из этого внутреннего потока энергии с соответствующими магнитными и электрическими полями и превращением энергии в тепло внутри проводника. Теперь мы рассмотрим, как энергия проходит через среду по пути к проволоке, где она рассеивается как тепло.

где - амплитудное значение напряжения. Из полученного следует, что если на некотором участке цепи практически отсутствуют индуктивность и емкость, то переменный ток и напряжение на концах этого участка совпадают по фазе.

Если индуктивность исследуемого участка пренебрежимо мала (L ≈ 0), а значением емкости пренебречь нельзя, то результаты расчета будут несколько иными.

Зная, что мгновенное значение силы тока определяется выражением

можно найти количество электричества, протекающее за время t через поперечное сечение исследуемого участка:

Подставляя в это выражение значение переменного тока, получим:

или после интегрирования:

Постоянная интегрирования имеет смысл заряда, которым обладает конденсатор до включения его в цепь. Если в цепь включают незаряженный конденсатор, то можно считать С 0 = 0 и тогда

Так как емкость конденсатора выражается формулой

то напряжение на концах участка цепи, содержащего емкость, определим по формуле:

Сравнивая формулы для силы тока и напряжения, замечаем, что на участке цепи, содержащем емкость, значение напряжения отстает от значения силы тока по фазе на π/2, то есть сила тока достигает максимума в тот момент, когда напряжение на исследуемом участке обращается в нуль.

Амплитудное значение напряжения для указанного случая определяется выражением

Снова используя закон Ома для участка цепи, получим формулу, позволяющую вычислить емкостное сопротивление участка:

Приведем расчет участка цепи переменного тока, содержащего индуктивность; значение емкости этого участка учитывать не будем вследствие его малости. Зная, что при изменении тока в катушке индуктивности в ней возникает ЭДС самоиндукции, запишем для этого случая закон Ома:

Пренебрегая активным сопротивлением исследуемого участка (r = 0) и учитывая, что ЭДС самоиндукции определяется по закону

Для тока, изменяющегося синусоидально, найдем:

Сравнивая выражения для тока и напряжения, видим, что напряжение на концах участка цепи, содержащего индуктивность, опережает ток в нем по фазе на π/2. Амплитудное значение напряжения для этого случая определим по формуле:

Используя закон Ома, найдем формулу для расчета индуктивного сопротивления участка цепи:

Расчет участка цепи переменного тока, содержащего активное сопротивление, индуктивность и емкость, проведенный с привлечением метода векторных диаграмм, дает для амплитудного значения напряжения на концах этого участка следующее выражение:

Сопротивление этого участка определяется формулой

где R - полное сопротивление исследуемого участка цепи, r - активное сопротивление этого участка, - его реактивное сопротивление.

Максимального значения переменный ток достигает при условии

т. е. при значении частоты переменного тока

что соответствует периоду колебаний

Плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей для электрического и магнитного полей (при отсутствии сегнетоэлектриков и ферромагнетиков):

Учитывая (2), получим, что для каждого момента времени, тогда

Пойнтинг ввел понятие вектора плотности потока энергии:

Поток Ф электромагнитной энергии равен

Давление и импульс

Давление электромагнитной волны на тело, на которое она падает возникает в результате воздействия магнитного поля волны на электрические токи, возбуждаемые электрическим полей той же волны.

Пусть электромагнитная волна падает на поглощающее тело (среду), т.е. в нем возникает джоулево тепло с объемной плотностью σЕ 2 , т.е. и поглощающая среда обладает проводимостью. В такой среде электрическое поле волны возбуждает электрический ток с плотностью . Тогда на единицу объема среды действует амперова сила в направлении волны. Эта сила и вызывает давление электромагнитной волны. Если нет поглощения, σ = 0 и давления нет. При полном отражении волны давление возрастает вдвое.

Давление равно:

Плотность импульса равна , что аналогично выражению для импульса фотона.

Количество энергии излученной волны за некоторый промежуток времени зависит от скорости изменения тока в контуре. При постоянном токе и постоянных зарядах излучение отсутствует. Любой контур, в котором протекает переменный ток, излучает волны. Однако при промышленной частоте f = 50 гц количество энергии излученной волны ничтожно и при расчетах его не принимают во внимание. Излучение незначительно и в диапазоне звуковых частот. Поэтому в радиотехнике используются частоты выше 0,1 Мгц.Не останавливаясь на решении основных уравнений электромагнитного поля в диэлектрике, приведем лишь уравнение Даламбера для векторного потенциала А: где δ пр = γЕ - плотность тока проводимости; δ пер = ρM - плотность тока переноса.После преобразования (3-4) получим скалярный потенциал, удовлетворяющий уравнению Даламбера:

При ∂A/∂t = 0 и ∂U/∂t = 0 это уравнение переходит в известное уравнение Пуассона. При ρ = 0, δ пер = 0 и δ пр = 0 уравнения (3-4) и (3-5) будут иметь следующий вид:

В таком виде (3-6) и (3-7) носят название волновых уравнений. Электромагнитные возмущения распространяются от центра возмущения с конечной скоростью v, и чем дальше от центра возмущения, тем больше запаздывает их действие:

и аналогично для А у и А z .Скалярный U и векторный A потенциалы, выражаемые формулами (3-8) и (3-9), называют электродинамическими запаздывающими потенциалами.Электромагнитные волны в изоляции распространяются без затухания, а в металлах они затухают настолько быстро, что даже тонкие слои металла оказываются непроходимыми для волн. Объясняется это тем, что энергия волны переходит по мере ее распространения в металле в тепло.Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) - распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля (т.е. иначе говоря - взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение (см. ниже, см. также рисунок).Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме (пространстве, свободном от вещества), но в в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).Отражение волн. Расположим рупоры генератора и приемника под некоторым углом друг к другу. Приемник отметит отсутствие сигнала. Поместим под рупорами металлическую пластину. Приемник отметит наличие сигнала.Объяснение результатов опыта. Электромагнитная волна, распространяясь в диэлектрической среде (воздухе), отразилась от поверхности проводящей среды (металлической пластины).Преломление волн. Рупоры генератора и приемника расположим напротив друг друга, немного приподняв один из них. При включении генератора приемник отметит отсутствие сигнала. Поместим между рупорами куб из парафина или специальной пластмассы. Приемник отметит наличие сигнала.Объяснение результатов опыта. На границах раздела двух диэлектрических сред (воздуха и парафина) наблюдается преломление электромагнитных волн.Дифракция волн. Расположим рупоры напротив друг друга. При включении генератора приемник отметит наличие сигнала. Поместим вблизи приемного рупора металлический диск. Приемник отметит отсутствие сигнала. Передвинем диск на середину расстояния между рупорами. Приемник отметит наличие сигнала.Объяснение результатов опыта. Если расстояние между диском и приемным рупором мало, волна, хотя и огибает диск, но не попадает в рупор. При отодвигании диска волна, огибая его, смыкается и попадает в приемный рупор. Интерференция волн. Направим излучающий рупор на два металлических листа, расположенные рядом друг с другом под углом, чуть меньшим 180°. Передвигая приемный рупор вокруг листов, мы обнаружим последовательное усиление и ослабление мощности принимаемой волны.

Электрический диполь - система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q,–Q ), расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор, направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними, называетсяплечом диполя 1. совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда |Q| на плечо l , называетсяэлектрическим моментом диполя илидипольным моментом (рис. 122).

где Е + и Е – - напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами. Воспользовавшись этой формулой, рассчитаем напряженность поля в произвольной точке на продолжении оси диполя и на перпендикуляре к середине его оси.

1. Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А (рис. 123). Как видно из рисунка, напряженность поля диполя в точке А направлена по оси диполя и по модулю равна

Обозначив расстояние от точки А до середины оси диполя через r , на основании формулы (79.2) для вакуума можно записать

Согласно определению диполя, l/ 2< поэтому

(133.7)откуда

(133.6где c - безразмерная величина, называемаямагнитной восприимчивостью вещества. Для диамагнстихов c отрицательна (поле молекулярных токов противоположно внешнему), для парамагнетиков - положительна (поле молекулярных токов совпадает с