Электромагнитные волны

Учебниковая опора

• Закирова Н. А., Аширов Р. Р. «Физика. 9 класс», 9 класс, Арман-ПВ, 2019, с. 181–186
• Закирова Н. А., Аширов Р. Р. «Физика. 11 класс (ЕМН)», часть 1, 11 класс, Арман-ПВ, 2020, с. 84–92, 94–97

Главное

• Гипотеза Максвелла (1865): переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое, а переменное электрическое — магнитное; поле распространяется в виде электромагнитной волны.
• Условия излучения: высокая частота и открытый колебательный контур (антенна, вибратор); закрытый контур не излучает. Источник волн — ускоренно движущиеся заряды.
• ЭМ волна поперечная: $\vec E \perp \vec B \perp \vec c$ (опыты Г. Герца); в вакууме $c = 3\cdot10^8$ м/с, в среде $v = c/n$.
• $\lambda = cT = c/\nu$; длина полуволновой антенны $l = \lambda/2$.
• Модуляция — наложение звукового (НЧ) сигнала на высокочастотную несущую: амплитудная (AM) или частотная (FM).
• Радиолокация: $s = \dfrac{ct}{2}$.

Теория

Свойства ЭМ волн. Распространяются в вакууме (в отличие от механических); отражаются проводниками, преломляются и поглощаются диэлектриками, интерферируют, дифрагируют, поляризуются. Направление распространения — правило буравчика от $\vec E$ к $\vec B$. Связь полей: $v = E/B$. Плотности энергии электрического и магнитного полей в волне равны: $\dfrac{\varepsilon\varepsilon_0E^2}{2} = \dfrac{B^2}{2\mu\mu_0}$. Интенсивность $I = \dfrac{W}{St} = wv$ (Вт/м²); для сферической волны убывает как $1/R^2$, а излучаемая мощность растёт как $\omega^4$ — поэтому для связи нужны высокие частоты.

Шкала электромагнитных волн (в порядке роста частоты): низкочастотные колебания → радиоволны → инфракрасное → видимый свет (400–750 нм, $4\cdot10^{14}$–$7{,}5\cdot10^{14}$ Гц) → ультрафиолетовое → рентгеновское → $\gamma$-излучение. Общее: скорость $c$, источник — ускоренные заряды, распространение в вакууме.

Диапазоны радиоволн: ОНЧ 3–30 кГц, НЧ 30–300 кГц, СЧ 300–3000 кГц, ВЧ 3–30 МГц (короткие), ОВЧ 30–300 МГц (УКВ), УВЧ 300–3000 МГц, СВЧ 3–30 ГГц.

Радиопередатчик: генератор ВЧ → модулятор (сигнал с микрофона) → усилитель ВЧ → антенна. Голос (80–1400 Гц) имеет низкую частоту и интенсивность и напрямую далеко не передаётся.

• AM — меняется амплитуда несущей, частота постоянна; проще, но чувствительна к помехам.
• FM — меняется частота, амплитуда постоянна; устойчивее к помехам, выше качество (УКВ, телевидение), нужна более широкая полоса.

Детекторный приёмник: антенна → колебательный контур с конденсатором переменной ёмкости (выделяет станцию за счёт резонанса, $\nu = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$) → диод-детектор (пропускает ток в одну сторону) → конденсатор (сглаживает ВЧ) → телефон. Детектирование — выделение звукового сигнала из модулированного.

Цифровая связь. Этапы: дискретизация → квантование → кодирование (двоичный код) → модуляция → передача; на приёме — обратные операции. Преимущества: помехоустойчивость, качество, экономия частот (несколько станций на одной частоте), передача дополнительных данных.

Радиолокация — обнаружение объектов по отражённым радиоволнам; импульс длится 1–2 мкс. Преимущество перед эхолокацией — огромная скорость радиоволн.

Формулы

Величина	Формула
Длина волны	$\lambda = cT = c/\nu$
Скорость в среде	$v = c/n$, $n = \sqrt{\varepsilon\mu}$
Антенна	$\lambda = 2l$, $\nu = \dfrac{c}{2l}$
Частота контура приёмника	$\nu = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$
Радиолокация	$s = ct/2$

Примеры

1. Длина волны радиостанции. $\nu = 100$ МГц: $\lambda = \dfrac{3\cdot10^8}{10^8} = 3$ м; полуволновая антенна — 1,5 м.
2. Радиолокатор. Отражённый сигнал вернулся через 200 мкс: $s = \dfrac{3\cdot10^8\cdot2\cdot10^{-4}}{2} = 30$ км.
3. Настройка приёмника. Чтобы увеличить частоту настройки в 2 раза при той же $L$, ёмкость контура уменьшают в 4 раза.
4. Скорость в среде. В среде с $n = 1{,}5$: $v = 2\cdot10^8$ м/с; частота та же, длина волны в 1,5 раза меньше.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Считают ЭМ волну продольной или думают, что ей нужна среда.
• Считают, что закрытый контур излучает волны.
• Путают AM и FM: при AM меняется амплитуда, при FM — частота.
• Забывают делить время пополам в радиолокации.
• Путают порядок шкалы ЭМ волн: ИК — между радиоволнами и светом, УФ — между светом и рентгеном.
• Считают, что диод в приёмнике усиливает сигнал (он выпрямляет).

Самопроверка

1. Кто экспериментально доказал поперечность ЭМ волн? — Г. Герц.
2. Как направлены $\vec E$ и $\vec B$ в волне? — Перпендикулярно друг другу и направлению распространения.
3. Что такое модуляция? — Изменение параметра (амплитуды или частоты) несущих ВЧ колебаний по закону звукового сигнала.
4. Какое явление позволяет приёмнику выделить одну станцию? — Резонанс в колебательном контуре.
5. Какое излучение имеет большую частоту — ультрафиолетовое или инфракрасное? — Ультрафиолетовое.