Електромагнітні коливання і хвилі

Коливальний контур - електричне коло, що складається з послідовно з'єднаних котушки і конденсатора. Якщо конденсатору надати заряд, а потім з'єднати його пластини з кінцями котушки, то в коливальному контурі виникнуть періодичні зміни заряду (q) та напруги (U) на конденсаторі, а також сили струму (I) в котушці.

Перетворення енергії в коливальному контурі:

Фізичні процеси, що відбуваються в коливальному контурі, супроводжуються безперервними перетвореннями одного виду енергії в інший, а саме: енергія електричного поля конденсатора перетворюється в енергію магнітного поля котушки і навпаки. При цьому, в повній відповідності з законом збереження і перетворення енергії, повна енергія в коливальному контурі залишається величиною сталою. Повна енергія (W) дорівнює максимальній електричній (W_е.mах) або максимальній магнітній енергії (W_м.mах) або сумі електричної (W_е). і магнітної енергії (W_м.) в будь-який момент часу.

Формула Томсона - формула, що зв'язує період (Т) власних електричних коливань в контурі з його ємністю (С) і індуктивністю (L). Період (Т) власних електричних коливань в контурі прямо пропорційний кореню квадратному з індуктивності L і ємності С.

Період вільних коливань в контурі зростає із зростанням індуктивності котушки і ємності конденсатора. Чим більше L, тим повільніше струм наростає і повільніше падає до нуля, а чим більше С, тим більший час потрібен для перезарядки конденсатора.

Циклічна частота ω₀ називається власною частотою електромагнітних коливань, вона залежить лише від параметрів коливального контуру, а саме - від ємності конденсатора (С) і індуктивності котушки (L). Вона обернено пропорційна кореню квадратному з індуктивності (L) і ємності (С).

Вимушені електричні коливання - процеси, що виникають в електричних ланцюгах під дією зовнішнього періодичного джерела струму.

Змінний електричний струм - електричний струм, який періодично змінюється за модулем і напрямком.

Чинне (діюче) значення сили змінного струму дорівнює силі такого постійного струму, який в даному колі створив би тепловий ефект, рівний ефекту, створюваного наявними змінним струмом. Діюче значення струму в корінь квадратний з 2 разів менше її амплітудного значення. Позначається (І_Д), одиниця виміру ампер (А).

Чинне (діюче) значення напруги змінного струму дорівнює напрузі такого постійного струму, який в даному колі створив би тепловий ефект, рівний ефекту, створюваного наявними змінним струмом. Діюче значення напруги в корінь квадратний з 2 разів менше його амплітудного значення. Позначається (U_Д), одиниця виміру вольт (В).

Провідники, на яких виділяється тепло, називають активними. Провідники, на яких тепло не виділяється, називають реактивними.

Активний опір (R) - фізична величина, яка характеризує протидію змінному струму, який чиниться тими елементами електричного кола, в яких відбувається необоротне перетворення електричної енергії у внутрішню. Одиниця виміру - Ом.

Індуктивний опір (Х_L) - фізична величина, що характеризує додатковий вплив котушки, який вона надає протіканню через неї змінного струму (крім активного опору). Індуктивний опір дорівнює добутку індуктивності L на циклічну частоту струму 𝝎. Виникнення індуктивного опору в колі змінного струму обумовлено явищем самоіндукції. Зі збільшенням індуктивності котушки і частоти змінного струму її індуктивний опір зростає. Одиниця виміру - Ом.

Ємнісний опір (Х_С) - фізична величина, що характеризує вплив конденсатора на протікання змінного струму. Ємнісний опір дорівнює числу, зворотного добутку циклічної частоти струму 𝝎 на електричну ємність С. Зі збільшенням ємності конденсатора і частоти змінного струму його ємнісний опір зменшується. Одиниця виміру - Ом.

Генератор змінного струму - машина, яка перетворює механічну енергію обертання, в електричну енергію змінного струму. Будова - магніт або електромагніт, що створює магнітне поле, обмотка в якій індукується ЕРС, кільця та щітки. Рухома частина генератора називається ротором, нерухома - статором. Його дія заснована на явищі електромагнітної індукції. При обертанні ротора магнітне поле, яке пронизує обмотку статора, періодично змінюється, за рахунок чого в ній індукується змінна ЕРС індукції.

Електричний резонанс - явище різкого зростання амплітуди вимушених електричних коливань у разі збігу частоти зовнішньої змінної напруги із частотою власних коливань у контурі. Графік залежності сили струму (I) вимушених електричних коливань від частоти (ν) зовнішньої ЕРС називається резонансною кривою. Максимум резонансної кривої, який відповідає максимальній силі струму вимушених коливань (I_mах), залежить від електричного опору коливального контуру: чим більше опір, тим менше максимум.

Трансформатор - пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги при незмінній частоті.

У простому випадку трансформатор складається з замкнутого сталевого осердя, на який надіті дві котушки з дротяними обмотками. Обмотка, яка підключається до джерела змінної напруги, називається первинною, а обмотка, до якої приєднують «навантаження», тобто прилади, які споживають електроенергію, називається вторинною.

Дія трансформатора заснована на явищі електромагнітної індукції.

Коефіцієнт трансформації (K) - відношення напруг на первинній U₁ та вторинній U₂ обмотках трансформатора. Відношення числа витків у первинній N₁, до числа витків N₂ вторинної обмоток трансформатора.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

Електромагнітне поле - особливий вид матерії, за допомогою якого здійснюється електромагнітна взаємодія; сукупність електричного і магнітного полів. Джерелом електромагнітного поля є електричні заряди, які рухаються з прискоренням .

Електромагнітні хвилі - електромагнітне поле, яке поширюється у просторі.

 Швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль - дорівнює швидкості світла. υ = с = 300 000 км / с = 3 · 10⁸ м / с.

  Шкала електромагнітних хвиль - шкала фізичних величин, що представляє собою безперервну послідовність частот і довжин хвиль електромагнітних випромінювань, і характеризує електромагнітне поле, яке розповсюджується у просторі:

1) Низькочастотні хвилі представляють собою електромагнітні хвилі, частота коливань яких не перевищує 100 кГц. Саме цей діапазон частот традиційно використовується в електротехніці. У промисловій електроенергетиці використовується частота 50 Гц, на якій здійснюється передача електричної енергії по лініях і перетворення напруг трансформаторними пристроями. В авіації та наземному транспорті часто використовується частота 400 Гц.

2) Радіохвилі - електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від 5 ·10^-5 до 10⁵ м. В даний час прийнято виділяти такі діапазони радіохвиль: наддовгі хвилі (з довжиною хвилі в вакуумі від 100 до 10 км); довгі хвилі (10 км – 1 км); середні хвилі (1000-100 м); короткі хвилі (100-10 м); ультракороткі хвилі: метрові (10-1 м), дециметрові (10-1 дм), сантиметрові (10-1 см), міліметрові (10 -1 мм); субміліметрові (1-0,005 мм).

Радіохвилі знаходять широке застосування в житті та діяльності людей. Вони застосовуються в радіомовленні, телебаченні, радіолокації, радіоастрономії, радіозв'язку. При підводному і підземному радіозв'язку, наприклад при будівництві тунелів, використовуються наддовгі хвилі (які слабо поглинаються землею і водою). Радіозв'язок на обмежених відстанях при достатній потужності радіостанцій забезпечується на довгих хвилях. Внаслідок дифракції ці, а також середні хвилі здатні огинати опуклу поверхню Землі. Короткі хвилі за рахунок багаторазового відбивання від іоносфери і Землі дозволяють забезпечити радіозв'язок між будь-якими як завгодно далекими населеними пунктами. Ультракороткі хвилі проникають крізь іоносферу і майже не огинають земну поверхню. Тому вони використовуються для радіозв'язку між пунктами в межах прямої видимості, а також для зв'язку з космічними кораблями. На хвилі довжиною 21 см (випромінювання атомарного водню) ведуться пошуки позаземних цивілізацій.

3) Інфрачервоне випромінювання електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла і короткохвильовим радіовипромінюванням. Інфрачервоне випромінювання також називають «тепловим» випромінюванням, тому що інфрачервоне випромінювання від нагрітих предметів сприймається шкірою людини як відчуття тепла. Сонце, радіатори, піч, нагріті на сонці камені, людське тіло - все це інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоне випромінювання, благотворно впливає на людину і допомагає позбавитися від багатьох захворювань. Інфрачервоні випромінювачі застосовують у промисловості для сушіння лакококрасочних поверхонь. Теплові інфрачервоні камери перетворять енергію інфрачервоних хвиль у видиме світло на відіоекрані. Всі об'єкти з температурою вище 0 кельвінів випромінюють теплову інфрачервону енергію, тому інфрачервоні камери можуть пасивно бачити всі об'єкти незалежно від наявності навколишнього освітлення.

4) Світлове випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається нагрітими або речовинами, які перебувають у збудженому стані, сприймається людським оком. Видиме світло - електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль ≈ 400 – 800 нм (від фіолетового до червоного).

  5) Ультрафіолетове випромінювання - електромагнітне випромінювання, займає спектральну область між фіолетовими променями і рентгенівським випромінюванням, якому відповідає діапазон довжин хвиль від 400 до 10 нм.

Природними джерелами ультрафіолетового випромінювання є Сонце, зірки та інші космічні об'єкти. Помітну частку ультрафіолетового випромінювання містить випромінювання розжарених до 3000 К твердих тіл. Для різних застосувань ультрафіолетового випромінювання використовують спеціальні ртутні та інші газорозрядні лампи.

5) Рентгенівське випромінювання - електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між ультрафіолетовими і гамма – промінням. Природним джерелом рентгенівського випромінювання є деякі радіоактивні ізотопи, Сонце і інші космічні об'єкти. Найбільш поширеним штучним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка, в якій це випромінювання виникає при гальмуванні катодом електронів, які набувають дуже велику енергію при наближенні до катоду.

6) Гамма випромінювання - короткохвильове електромагнітне випромінювання. супроводжує розпад радіоактивних ядер, випускається при переходах ядер з більш збудженого енергетичного стану в менш збуджений або в основний. Має велику проникну здатність, тобто може проникати крізь великі товщі речовини без помітного ослаблення.

ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ РІЗНИХ ДИАПАЗОНІВ

1) в однорідному середовищі поширюються рівномірно і прямолінійно;

  2) відбиваються;

  3) заломлюються;

  4) фокусуються;

  5) дають явища дифракції (огинання хвилею перешкоди) і інтерференції (накладення хвиль, що приводить до посилення коливань в одних точках і ослаблення в інших).

  6) поляризуються (коливання відбуваються в строго певних плоскостях).

7) при переході електромагнітної хвилі з одного середовища в інше частота хвилі залишається незмінною.

Принципи радіозв'язку. Для здійснення радіозв'язку в пункті, з якого ведеться передача повідомлень (радіопередача), розміщують радіопередаючий пристрій, що містить радіопередавач і передавальну антену, а в пункті, в якому ведеться прийом повідомлень радіоприймальний пристрій, що містить приймальню антену і радіоприймач. При радіотелефонному зв'язку коливання тиску повітря в звуковій хвилі за допомогою мікрофона перетворюються в електричні коливання тієї ж форми. Коливання звукової частоти накладають на коливання високої частоти (модулюють), які вже переносять їх на великі відстані. Поширюючись, радіохвилі досягають приймальної антени і збуджують у ній електричні коливання, які надходять далі в радіоприймач. Після чого сигнал піддається демодуляції, або детектуванню; в результаті виділяється сигнал, аналогічний сигналу, яким були модульовані коливання в радіопередавачі.

АНТЕНА - пристрій для випромінювання або прийому радіохвиль. Антена перетворює електромагнітні коливання, які до неї підводяться в електромагнітні хвилі. Приймальна антена, навпаки, перетворює падаючі на неї електромагнітні хвилі в електромагнітні коливання, що впливають потім на приймач.

ЗАЗЕМЛЕННЯ

1) пристрій для електричного з'єднання з землею апаратів, машин, приладів і т. п.

2) процес передачі електричного заряду Землі. Земна куля набагато більше тіл, що знаходяться на ньому, і тому після зіткнення з Землею заряджене тіло віддає їй майже весь свій заряд і стає практично нейтральним.

ГЕОМЕТРИЧНА ОПТИКА

Прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі - в однорідному прозорому середовищі світло поширюється прямолінійно. Доказом цього закону є утворення тіні і півтіні.

Тінь - область простору, куди не надходить світло ні від однієї частини джерела світла.

Півтінь - область простору, куди світло надходить хоча б від однієї частини джерела (частково освітлене простору).

Швидкість світла - дорівнює граничної швидкості для будь-якого матеріального тіла і дорівнює швидкості поширення електромагнітної хвилі: c = 3 · 10 ⁸ м / с.