Электромагниттік тербелістер мен толқындар

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым Министрлігі

РЕФЕРАТ

Тақырыбы:

Орындаған:

Тексерген:

Алматы-2008

Жоспар.

Кіріспе . . .

І - тарау.

Электромагниттік тербелістер туралы мағұлмат . . .

Тербелмелі контур . . .
Еркін тербелістер . . .
Еріксіз электр тербелістері . . .

І - тарау.

Электромагниттік толқындар туралы . . .

Жазық электомагниттік толқындар . . .
Электромагниттік өрістің энергиясы . . .
Электромагниттік өрістің импульсы . . .

Қорытынды . . .

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі . . .

Кіріспе

Өмірде өзіміз куә болып отырғандай ғылым мен білімнің дамуы адамзат үшін көп ықпал етті. Бірақ қанша дамығанменен де болашақта проблемалар таусылар емес. Жаңа жетістіктерге жетсек солғұрлым жаңа сұрақтар туындайды, ол да болса өмір талабы.

Біздің эрамызға дейінгі VII-ғасырда өмір сүрген грек философы Милеттік Фалестің жазуына қарағанда, жүннен тоқылған матаға үйкелген янтарьдың жеңіл нәрселерді өзіне тартатындығын әуелде тоқымашы әйелдер байқаған. Бұл жаңалықты тек екі мың жылдан астам уақыт өткенде ғана 1600 жылы ағылшын дәрігері Джильберт айқындап кеңейте түскен. Ол мұндай қасиеттерді янтармен қатар жібекке үйкеген шыныда және тағы басқа бірсыпыра заттардан байқалғанын ашты. Сөзбе-сөз айтқанда “янтарьланған” денелер. Грекше «электрон» - янтарь деген сөз.

Екі ғасырға жуық уақыттың ішінде XVII ғасырдың соңына дейін денелердің электрленуін зертеу ісі баяу дамыды да, сонымен бірге оның басқа табиғат құбылыстарын зертеумен ешқандай байланысы болған жоқ. Негізінен ғалымдар денелерді үйкеліс арқылы электрленген күйге келтіру және олардың арасындағы өз ара әсер күштерін зерттеу ісімен ғана қанағаттанып келген еді. Электр жөніндегі ілімнің бұл саласы кейінірек электростатика деген атаққа ие болды.

1789 ж. Галвани токтың физиологиялық әсерін ашты. Олжаңа ғана сойылған бақаны бел омыртқа нервтерінен мыс ілгекке іліп алып, балконның темір шарбағына асып қойғанда қойғанда, бақаның бұлшық еттері әрдайым шарбаққа тиген кезде жиырылып кететінін байқады. Электрленген денелер арқылы разрядтағанда бұлшық еттердің жиырлатыны оған дейін де белгілі болғанымен ұзақ уақыт электрлік құбылыстардың біртұтастығы тағайындалмадыда жұрт электрлік құбылыстардың өзінің «гальванилік электр” және үйкеліс арқылы алынатын электр деп бөліп келді. Тек ХІХ ғ. басында ғана электрлік құбылыстардың төтенше әрқилы болып келетінін көрсететін бірсыпыра ірі жаңалықтар ашылды: электр тогының пайда болу шарттары тексерілді, токтың жылулық және магниттік әсерлері тағайындалды, диэлектриктердің ролі және т. б. анықталады.

Электромагниттік индкцияның ашылуы электромагниттік өріс жөніндегі біздің көзқарасымызды тереңдетті. Бірақ мәселе тек мұнда ғана емес. Өзіндік индукция арқасында зарядтың, тоқ күшінің және электр тізбектерін сипаттайтын басқа да шамалардың тербелуі мүмкін, бұндай тербелістерді электромагниттік деп аталады.

Маятниктің тербелісінің конденсатордың индуктивтік катушка арқылы разрядына еш ұқсастығы жоқ секілді

Электромагниттік тербелістер мен толқындар.

Максвелл гипотезасы бойынша, ығысу тоғы өткізгіштік тоғы тәрізді, магнит өрісін жасайды. ал тығыздығы ығысу тоғы D электрлік индукция векторының уақыт бойынша туындысы нольге тең емес кезде, уақыт бойынша өзгеріп тұратын электр өрісі бар кездердің бәрінде, пайда болады. Қашан да уақыт бойынша өзгеріп тұратын электр өрісі бар болса, онымен байланысты магнит өрісі бар .

Электростатикалық өріс, яғни өзара қозғалмайтын және шамасы өзгермейтін электр зариядтарының өрісі, тек электр зарядтарына ғана әсер етеді; ешқандай оның магниттік әсері аңғарылмайды. Ал егер зарядтар бір- біріне қатысты қозғалса не олардың шамасы өзгерсе, онда олардың жасаған электр өрісі де өзгереді де, сол кезде электрлік әсер мен бірге магниттік әсер де пайда болады.

Дербес жағдайда бір қалыпты өспелі /не кемімелі/ электр өрісі бар деп алайық, сонда ығысу тоғы тұрақты болып, ол тұрақты магнит өрісін де туғызар еді. Іс жүзінде айнымалылар электр өрісінің әр қашан уақыт бойынша алынған туындысы болады, яғни айнымалы ығысу тоғын тудырады, сондықтан уақыт бойынша пайда болатын магнит өрісі де айнымалы болады. Жалпы алғанда, айнымалы электр өрісі алып тұрған кеңістік те, сонымен қатар айнымалы магнит өрісі мен де толтырылған болады.

Уақыт бойынша өзгеріп тұратын магнит өрісіВ индукция векторы мен және оның уақыт бойынша туындысы мен

ІІ- тарау.

Электромагниттік толқындар

Электромагниттік толқындар. Уақыт бойынша өзгеріп тұратын электр не магнит өрісінің жасалуы өздеріне сәйкес құйынды электр өрісін туғызатынын көрдік. Егер осындай электромагниттік өріса қандай да бір кеңістіктің бір шектелген атырабында туса, онда ол кеңістіктің басқа бөліктеріне де шеткі жылдамдықпен тарай бастайтынын тәжірибе көрсетеді. Бұл жылдыамдық өте үлкен және бос кеңістікте жарық жылдамдығымен (1*10 ¹⁰ см)

дәл келеді. Пайда болған электромагниттік өрісте периодты қасиет болса, онда осы өрістің таралуы толқын сипатты болады. Электромагниттік өріс таралуының толқындық сипаты 1863 жылы Максвелл берген электромагниттік толқындарды эсперимент жүзінде алғаш 1888 жылы Герц зерттеген.

Электромагниттік толқындардың процесін алдымен оңай теориялық схема мысалынан қарастырайық, сонан соң оларды жасаудың техникалық тәсілдерін көрсетейік. Қандай да бір әдіспен электр тербелістерін өшірмей ұстап тұратын контут алайық. Бұл контур С сыйымдылықпен және L өздік индукция коэффициентімен сипатталсын. Егер мұндағы тербеліс меншікті тербеліс периодына тең Т периодпен болып отырса, онда осы периодтың шамасы (2) формула бойынша анықталады:

Осы тербелістердің нәтижесінде контур орналасқан атырапта айнымалы электр және магнит өрістер жасалады. Мысалы, егер біз конденсатор астарлары арасындағы кеңістікті алсақ, онда бұл жерде электр өрісінің кернеулігі мен ығысу тогының шамасы Т периодпен өзгереді. Осының салдарынан уақыт бойынша айнымалы құйынды магнит өрісі жасалады. Электромагниттік толқындардың таралуы ереулі роль атқару үшін, немесе, система құнарлы сәуле шығару үшін толқын тарау дегенді сәуле шығару деп те атайды: мынадай жағдай жасау керек: ығысу тогы жасалатын және В векторы нольге тең емес атырап, мүмкіндігінше, айналадағы кеңістіктен аз оңашалауы керек. Егер астарларының ара қашықтығы аз жазық конденсатор және орамдары өте тығыз орналасқан соленоид ішінде шоғырланады. Сәуле шығаруды арттыру үшін конденсатор астарларының ара қашықтығын үлкейту керек және тізбектің өздік индукциясы бар бөлігін катушка түрінде емес, әлдеқайда ашық контур түрінде жасау керек. Астарлардың ара қашықтығын үлейте отырып және соленоиды түзу өткізгішпен ауыстырып, контурлардың 343, б мен в-суреттегі көрсетілген типтерін аламыз.

Контурларды осылай өзгерткенде, олардың сиымдылығы мен өздік идукциясы алғашқы схемаға қарағанда едәуір азаятыны белгілі, сондықтан системаның меншіктік тербелісінің периоды алғашқы схемаға қарағанда аз болады. Конденцатр астарларына бір айнымалы э. қ. к. көзінен энергия берілсе, әлгіндей контурлардағы тербеліс сол электр қозғаушы күштің сүйемелдеуінен өшпей тұрады.

343-сурет. Ашықтағы әр түрлі тербеліс контурлары.

Астарлардың алғашқы зарядтағандағы потенциал айырмасын арттыру үшін, астарларды қосатан өткізгіште ұшқындық аралақ деп аталатын үзік жасауға болады. Осы ұшқындық аралықтың арқасында, тізбектің екі бөлігінің потенциалдар айырмасы, өзінің ұшқындық аралықты тесіп өтетін мәніне жеткенге шейін, тізбек тұйықталмаған күйде тұрады. Ұшқындық аралақты тесіп өткен кезде, екі бөлікті бір қосып өткізгіш контурға айналдыратын ұшқын пайда болады да, сөйтіп осы контурда электр тербелістері өнеді. Конденцатор астарлары тіпті алып тастап, тербеліс системасын ұшқындық аралықпен бөлінген металл екі шыбықтан жасауға болады (344 сурет) Мұндай тербеліс системасын диполь деп атайды. Астарларды алып тастау сыйымдылықты мейлінше азайтып жібереді;

о о

Сыйымдылықты арттыру үшін тербеліс системасын құрайтын шыбықтардың ұшқындық аралық жасайтын ұштарын сфера түрінде жуандату керек. Герц өз тәжірибелерінде дәл осындай тербелме контурмен пайдаланады. (345 с. ) Герц вибраторы деп аталатын Герцтің тербелме контуры көрсетілген.

Герц вибраторындағы тербелістер

оны индукциялық катушканы екінше

реттік обмоткасына жалғау арқылы қыздырылады. Бір кезде тербеліс процесі мына сипатта болады. Потенциалдар айырмасы едәуір үлкен мәніне жетіп, ұшқындық арақашықтықпен ұшқын ұшып тұрғанда, вибраторды өшпелі тербеліс пайда болады. Ол тербелістің периоды вибратордың сиымдылығы мен өздік индукциясы арқылы анықталады. Вибратордың екі жартысы бірнеше рет қайыра зарядталғанан соң тербеліс өшеді, өйткені зарядтағанда вибратор энергиясы сәуле шығаруға және ленс-джольдік жылуға кетеді. Мұнан кейін индуктор вибраторды жаңадан зарядтайды да процес осылай қайталана береді. Вибратордың индуктордан зарядталу периоды индуктор үзгішінің жұмыс істеу мерзімімен анықталады; бұл период вибратордың тербеліс периодынан әлдеқайда үлкен. Тербеліс кезінде дипольдің өзі бойынша жиілігі үлкен ток жүреді (Герц тәжірибелеріндегі жиілік 10 ⁸ гц шамалас), бұл ток диполь ұштарынан шағылысып, бағытын кері қарай өзгертеді: депольда жүгірме толқын мен шағылысқан толқын интерференцияланады да, нәтижесінде тұрған толқындар орнайды. Мұның өзі, тоқтың амплитудасы дипольдің әр жерінде түрліше мәні бар, атап айтқанда, дипольдің ұштарында ток күшінің түйіні, ал ортасында - шоқталуы бар деген сөз. Сөйтіп тербелістегі диполь өткізгішінің әр түрлі қимасында ток күшінің бір уақыт моментінде түрліше мәні бар. Бұл - “ квазистоционар емес” процестің үлгісі. Максвелл теориясы бойынша толық ток, яғни өткізгіштік тогы мен ығысу тогының жиынтығы, дипольдың барлық қималары үшін бірдей болып қалады. Мұнан өткізгіштік тогүы нольге тең жерлерде ығысу тогы максимал мән алатыны шығады. Периодты процестерде электр кернеулігінің амплитудасы ең үлкен мән алатын жерде ығысу тогының амплитудасы да ең үлкен болады.

Сонымен, өткізгіштік тогының амплитудасы нольге тең нүктелерде кереу-лік амплитудасы максимал. Электр кернеулігінің шоқталуы дипольдың ұштарында, ал түйін - ортасында орналасады.

Ток күшінің амплитудасы мен электр кернеулігінің амплитудасының диполь бойында таралуы 346 суретте берілген.

Дипольды қоршаған кеңістікте туған электромагниттік өрістің сипатын қарастырайық.

Схема түрінде дипольды, t ара қашықтығы периодпен өзгеріп тұратын, бірдей және әр атты екі + q мен - q заряд түрінде алуға болады. Бұрын көргеніміздей (§ 125), өзгермейтін дипольдың электр өрісі бір зарядтан басталып, екінші зарядта аяқталатын кернеулік сызықтарымен сипатталады.

Егер дипольды жасап тұрған зарядтар қозғалса, онда жалпы айтқанда, мәселе басқаша. Бұлай болу себебі өрістің кеңістікте шектелген жылдамдықпен таралуында және сондықтан, дипольдан қашықта тұрған қандай да бір нүктедегі Е кернеуліктің белгілі бір уақыттағы мәні дипольдағы зарядтардың, дәл сол кездегі емес, одан бұрынғы орналасуына сәйкес.

Мұны графикше түсіндірейік. Диполь құрайтын + q мен - q зарядтар белгілі бір t ара қашықтықта орналасқан (347, а-сурет) күйінен бастайық та, кез келген бір, кернеулік сызығын, мысалы, авс сызығын, алып қарайық. Зарядтар жақындасқан сайын, кернеулік сызығы формасын өзгертеді. Өйткені, Е кернеуліктің, мысалы, b нүктедегі мәні зарядтардың осы берілген орналасуына сәйкес емес, сәл ертерек уақыт моментіндегі олардың орналасуына сәйкес келеді. Сызық 347, б- суретте көрсетілген түрге енеді. Екі заряд тоғысқан кезде кернеулік сызығы тұзақ тәріздес болады (347, в-сурет) . Зарядтар одан ары қозғалғанда, өрісте кернеуліктің abcb ^/ тұйық сызығы түзіледі (347, г-сурет) . ь Сөйтіп, туған электр өрісі құйынды сипат ала бастайды.

Пайда болған айнымалы электр өрісінің сызықтары, Максвелл гипотезасы бойынша, айнымалы магнит өрісінің тұйық сызықтарының тууына себеп болады. Кейінгілер өз кезегімен электр кернеулігінің тұйық сызықтарын туғызады т. с. с. Тербелген дипольдың айналасында электромагниттік толқын жасалады.

348-суретте қандай да белгілі бір уақыт моментінде Герц диполы айналасындағы электр кернеулігі сызықтарының таралуы көрсетілген.

Диполь маңында өнген толқындағы электр және магнит өрістерінің кернеуліктерінің бағыты мен салыстырмалы шамаларын есептеп табуға болады, сонымен бірге оларды эксперимент жолымен де анықтауға болады.

Электр кернеулігін сезе алатын қабілеті бар “электр резонаторын” әр жерге қойып байқап, электр өрісін зерттейді. Осындай резанатордың қызметін, аұшықындық аралығы бар, түзу өткізгіш атқара алады (349-сурет) ; бұл жерде резонатордың сол жағында сәуле шығарушы вибратор кескінделген сызықтарына перпендикуляр болмаса, онда оның ұштары арасында потенциалдар айырмасы пайда болады, соның салдарынан ұшқындық аралықтан ұшқын өтеді. Дәл осы ұшқын электр өрісінің бар екекндігін білдіретін индикатор қызметін атқарады. Қабылдағыш дипольдың ұшқындық аралығы көп кіші болуы керек, өйткені оның ұштарындағы потенциал айырмасы үлкен емес.

Магнит өрісін, оның индукциялық әсері бойынша өрістің әр жеріне контур қойып, ондағы токты өлшеп, сол арқылы зерттейді. Индукциялық ток контурдың қойылған орны мен оның бағдарлануына байланысты. Магниттік индукция векторы контур жазығына нормаль жөнімен бағыталғанда, айнымалы өрістің индукциялық әсері ең үлкен мәнде болады. Себебі контурдың осы қалпында контурмен шектелген аудан арқылы магнит ағыны басқа қалыптағыдан гөрі тезірек өзгереді. Магнит өрісінің кернеулігі контур нормалымен бағдарланған кезде, әр жердегі кернеулік векторының салыстырмалы шамасы контурда туатын индукциялық токтың шамасына пропарционал.

Осы тәрізді тәжірибиелер дипольды қоршаған электромагниттік өрістің қасиеттерін тағайындауға мүмкіндік береді. Дипольға жақын жерлердегі өрістің сипаты күрделі, бірақ дипольдың өз өлшемдеріне қарағанда, үлкен қашықтықтағы толқындық зона деп аталатын алқапта өрістің түрі біршама қарапайым болады.

Диполь бағытын сфералық беттің осі ретінде алайық та (350-сурет), осы оське қатысты сфера бетінде параллельдер мен меридиандар жүргізейік. Сонда кез келген нүктедегі электр өрісінің Е кернеулігі меридианға жанама жөнімен бағытталады, ал магнит өрісінің Н кернеулігі параллельге жанама бойымен бағытталады. Магнит және электр өрістерінің кернеуліктерінің шамасы экватордан полюске қарай кеми береді : диполь өсінің созындысына орналасқан нүктелерде екі кернеулік те нольге тең; экватор атырабында жатқан нүктелер үшін кернеуліктер ең үлкен мән алады. Осыған сәйкес, шығып тарайтын энергия ағынының тығыздығы сәуле шығару бағыты мен диполь осі құрайтын бұрышқа байланысты. Осы тәуелділік 351- суретте векторлық диаграмма түрінде берілген. Дипольдан қашықтаған сайын (яғни сфераның радиусы үлкейген сайын) кернеуліктер кеми түседі. Мынадай бір маңызды жайт бар: берілген нүктедегі электр өрісінің Е кернеулігі сол нүктедегі Н магнит өрісінің Н кернеулігіне перпендикуляр және Е мен Н векторларының екеуі де сфера радиусына, я ғни толқынның таралу бағытына, перпендикуляр. Егер диполь ішінде э. қ. к. мына заңмен өзгерсе:

= ₀ t

(мұнда - тербелістердің циклдік жиілігі), онда кеңістіктің әр нүктесінде Е өріс кернеулігі де сол жиілікпен периодты өзгереді, бірақ фаза бойынша кешігеді. Алынған нүкте дипольдан қашық орналасқан сайын, фаза бойынша кешігу де көп. Бұл кешігудің себебі электромагниттік өрістің шектелген жылдамдықпен тарауында. Сонымен, диполь айналасында сфералық электромагниттік толқын пайда болады. Егер r арқылы берілген нүктеден дипольға шейінгі қашықтықты белгілесек, онда Е вектордың тербілісі мына өрнекпен беріледі:

Е= Equation. 3

мұнда Т-период, - толқын ұзындығы және - полярлық бұрыш (350 - сурет) .

Электромагниттік толқынды өзінің тарау бағытында өз ара перпендикуляр жазықтықтарда жатқан екі синусоида түрінде келтіруге болады. Олардың бірі Е электрлік кернеулік векторының тербелісін кескіндейді. Бос кеңістікте екі вектордың тербіліс амплитудалары сан жағынан бір-біріне тең (егер Е электростатикалық, ал Н- электромагниттік бірліктер системасында өлшенсе) ; екі вктор да бірдей фазада тербеледі (352, а-сурет) .

Сурет салу керек

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.