§ 19. Електромагнітне поле та електромагнітні хвилі

Зміст

Вправа № 19

1. Виберіть правильні відповіді із запропонованих. Електромагніт підіймального крана живиться постійним струмом. Визначте:
1) коли електромагніт створює для оператора крана і електричне, і магнітне поля;
2) коли електромагніт випромінює електромагнітні хвилі.
а) у момент замикання кола;
б) у момент розмикання кола;
в) коли електромагніт, рухаючись рівномірно, переносить вантаж;
г) коли нерухомий електромагніт тримає вантаж.

1) Відповідь: а, б (а також в, якщо вважати, що відносно кабіни кранівника електромагніт здійснює рух). У моменти замикання та розмикання кола струм змінюється, отже, змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле.

2) Відповідь: а, б. Електромагнітні хвилі випромінюються лише тоді, коли заряджені частинки рухаються з прискоренням, тобто за умови зміни сили струму (вмикання та вимикання електромагніту).

2. Доповніть таблицю, вважаючи, що хвилі поширюються в повітрі.

Швидкість електромагнітних хвиль у повітрі вважаємо рівною швидкості світла у вакуумі: $v\approx c=3\cdot 10^8\text{ м/с}$.

Розрахункові формули:
$\lambda =\frac{c}{u},u=\frac{c}{\lambda }$

3. За рис. 19.6 визначте довжини електромагнітних хвиль для світла фіолетового та червоного кольорів. Розгляньте випадки, коли світло поширюється: а) у вакуумі; б) у склі (швидкість поширення світла у склі зменшується в 1,64 раза для світла червоного кольору, в 1,67 раза — для світла фіолетового кольору).

Дано:
$u_{\text{ч}}=4\cdot 10^{14}\text{ Гц}$
$u_{\text{ф}}=7,5\cdot 10^{14}\text{ Гц}$
$c=3\cdot 10^8\text{ м/с}$
$n_{\text{ч}}=1,64$
$n_{\text{ф}}=1,67$

Знайти:
${\lambda }_{\text{ч}}$, ${\lambda }_{\text{ф}}$, ${\lambda }_{\text{ч.скло}}$, ${\lambda }_{\text{ф.скло}}$ — ?

Розв’язання:

а) Поширення у вакуумі:

Довжина хвилі у вакуумі визначається за формулою $\lambda =\frac{c}{u}$:

• Для червоного світла:
  ${\lambda }_{\text{ч}}=\frac{3\cdot 10^8\text{ м/с}}{4\cdot 10^{14}\text{ Гц}}=0,75\cdot 10^{-6}\text{ м}=750\text{ нм}$
• Для фіолетового світла:
  ${\lambda }_{\text{ф}}=\frac{3\cdot 10^8\text{ м/с}}{7,5\cdot 10^{14}\text{ Гц}}=0,4\cdot 10^{-6}\text{ м}=400\text{ нм}$

б) Поширення у склі:

Під час переходу в інше середовище частота хвилі $u$ не змінюється, а швидкість зменшується в $n$ разів ($v=\frac{c}{n}$), отже, довжина хвилі зменшується пропорційно: ${\lambda }_{\text{скло}}=\frac{\lambda }{n}$.

• Для червоного світла у склі:
  ${\lambda }_{\text{ч.скло}}=\frac{750\text{ нм}}{1,64}\approx 457\text{ нм}=4,57\cdot 10^{-7}\text{ м}$
• Для фіолетового світла у склі:
  ${\lambda }_{\text{ф.скло}}=\frac{400\text{ нм}}{1,67}\approx 240\text{ нм}=2,4\cdot 10^{-7}\text{ м}$

Відповідь:
а) у вакуумі: ${\lambda }_{\text{ч}}=750\text{ нм}$; ${\lambda }_{\text{ф}}=400\text{ нм}$;
б) у склі: ${\lambda }_{\text{ч.скло}}\approx 457\text{ нм}$; ${\lambda }_{\text{ф.скло}}\approx 240\text{ нм}$.

4. Дізнайтеся про винайдення радіо. Зробіть коротке повідомлення.

Історія радіозв’язку розпочалася з теоретичних праць Джеймса Клерка Максвелла, який у 1865 році математично довів існування електромагнітного поля та хвиль. У 1887–1888 роках Генріх Герц побудував іскровий випромінювач (вібратор Герца) і резонатор, експериментально підтвердивши теорію Максвелла.

Практичне застосування хвиль для передачі інформації розробляли провідні винахідники кінця XIX століття:

• Нікола Тесла запатентував основи радіозв’язку та котушку-трансформатор;
• Олівер Лодж у 1894 році створив чутливий приймач із когерером;
• Олександр Попов у 1895 році продемонстрував грозовідмітчик та прилад для фіксації радіосигналів;
• Гульєльмо Марконі створив комерційно успішну систему бездротового телеграфу, запатентував її у 1896 році та у 1901 році вперше передав радіосигнал через Атлантичний океан. За свої досягнення Марконі та Карл Фердинанд Браун були нагороджені Нобелівською премією з фізики у 1909 році.