ГОЦУ гимназия №1505 «Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»
Дипломная работа
«исследование процессов прохождения электромагнитных волн через различные среды»
выполнил:
ученик 10 «Б» класса
Ермолаев Иван
руководитель:
Дмитриев Г.В.
Москва 2010
Содержание:
Введение.
Основные понятия и история изучения об электродинамике и электромагнитных излучениях.
Описание установки, созданной для исследований.
Описание исследований по прохождению электромагнитных волн через различные среды.
Анализ результатов исследований.
Вывод.
Введение.
Тема моей дипломной работы – исследование процессов прохождения электромагнитных волн сквозь различные среды. Я выбрал эту тему, так как она одна из самых актуальных тем в наше время. Электромагнитные волны – часть нашего окружающего мира и мы постоянно встречаемся с ними, так как электромагнитное излучение хорошо распространяется в пространстве, например земля по которой мы ходим, тоже излучает электромагнитные волны. К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение. Поэтому человек научился сам создавать и использовать их. Следовательно, интерес к этой части был и есть до сих пор.
Цель моей дипломной работы заключается в том, чтобы создать научно – популярное пособие по исследованию процессов прохождения электромагнитных волн сквозь различные среды и также провести ряд исследований по этой теме. При написании данной работы я поставил несколько задач.
Задачи:
Найти и прочитать материал по моей теме.
Разобрать данный материал.
Изучить теорию электромагнитных волн Максвелла.
Подобрать материалы и инструменты для создания установки.
Провести исследования по прохождению электромагнитных волн через различные среды.
Проанализировать полученные результаты исследований.
Написать теоретическую и практическую части и результаты в четырех главах диплома.
Результатом дипломной работы будет являться написанное пособие по электромагнитным волнам и собранная установка для исследований их через различные среды. Поэтому мой диплом будет включать следующие параграфы:
Введение.
Основные понятия и история изучения об электродинамике и электромагнитных излучениях.
Описание установки, созданной для исследований.
Описание исследований по прохождению электромагнитных волн через различные среды.
Анализ результатов исследований.
Вывод.
При написании дипломной работы буду пользоваться следующей литературой:
Физика: Учеб. для 10кл. общеобразоват. учереждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – 14-е изд. – М.: Просвещение, ОАО «Моск. Учеб.», 2005. – 366 с.
Физика. 11кл.: Учебн. для общеобразоват. учереждений / Касьянов В.А. – 3-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.: ил., 8л. цв. вкл.
Тамми И.Е. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов – 11-е изд., испр. и доп. – М.:ФИЗМАЛИТ, 2003. – 616с.
Основные понятия и история изучения об электродинамике и электромагнитных излучениях.
Дадим определение электродинамике.
«Электродинамика — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом), электрический ток (вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.» 1
Но мне больше всего понадобится часть электродинамики –изучения об электромагнитном излучении(электромагнитных волнах). А теперь дадим определение и этому термину.
«Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, 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.» 2
Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем в 1832. Джеймс Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания распространяются в вакууме со скоростью света. В 1888 максвелловская теория электромагнитных волн получила подтверждение в опытах Генриха Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения.
Табл.1
Теория Максвелла позволила установить, что радиоволны, свет, рентгеновское излучение и гамма-излучение представляют собой электромагнитные волны с различной длиной волны (табл1.), причём между соседними диапазонами шкалы Электромагнитных волн нет резких границ (рис1).
Рис. 1
Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями. Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды е и токи I, то изменение их со временем t приводит к излучению электромагнитных волн. На характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитных волн могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция3 волн, интерференция4 волн, полное внутреннее отражение5 и другие явления, свойственные волнам любой природы. Пространственное распределение электромагнитных полей, временные зависимости E(t) и H(t), определяющие тип волн (плоские, сферические и другие), вид поляризации и другие особенности электромагнитных волн, задаются, с одной стороны, характером источника излучения, с другой - свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла приводят к волновым уравнениям:
описывающим, в частности, распространение плоских монохроматических электромагнитных волн:
Здесь e-диэлектрическая, m-магнитная проницаемости среды, Е0 и H0- амплитуды колебаний электрического и магнитного полей, w = 2pv - круговая частота этих колебаний, j - произвольный сдвиг фазы, k - волновой вектор, r - радиус-вектор точки, -оператор Лапласа, E | H | k, Н0 =
Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические либо магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях, в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.
Характер изменения во времени Е и Н определяется законами изменения тока I(t) и зарядов e(t), возбуждающих электромагнитные волны. Однако форма волны в общем случае не следует I(t ) или e(t). Она в точности повторяет форму тока только в случае линейной среды, если I=I0 sin wt. Так как волны любой формы можно представить в виде суммы гармонических составляющих, то для линейных сред, для которых справедлив принцип суперпозиции, все задачи излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн произвольной формы сводятся к решению задач для гармонических электромагнитных волн.
В изотропном пространстве скорость распространения гармонических электромагнитных волн, тое есть фазовая скорость u= c/. При наличии дисперсии скорость переноса энергии (групповая скорость) может отличаться от u. Плотность потока энергии, переносимой электромагнитной волны, определяется Пойнтинга вектором S=(c/4p)[EH]. Так как в изотропной среде векторы Е, Н и k образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения электромагнитных волн. В анизотропной среде (вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения электромагнитных волн.
Простейшим излучателем электромагнитных волн является электрический диполь- отрезок проводника длиной l<l, по которому протекает ток i=i0 sin wt. На расстоянии от диполя r>l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические волны.
Создание мощных источников радиоволн во всех диапазонах, а также появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволили достичь напряжённостей электрического поля в электромагнитных волнах, существенно изменяющих свойства сред, в которых происходит их распространение. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитных волн в нелинейной среде (e и m зависят от E и H) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения электромагнитных волн они обогащаются высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной электромагнитной волны характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывами) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Большинство нелинейных сред, в которых электромагнитные волны распространяются без сильного поглощения, обладают значительной дисперсией, препятствующей образованию ударных электромагнитных волн. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких сантиметров до длинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенные искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии.
Электромагнитные волны различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации. Они по-разному взаимодействуют с веществом. Процессы излучения и поглощения электромагнитные волны от самых длинных волн до ИК-излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение Электромагнитные волны могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов. Во многих случаях электромагнитное излучение ведёт себя не как набор монохроматических электромагнитных волн с частотой со и волновым вектором k, а как поток квазичастиц-фотонов с энергией (2p/h)w и импульсом р=w/ с. Волновые свойства проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные - вфотоэффекте и Комптона эффекте.
1 ru./wiki/Электродинамика
2 ru./wiki/Электромагнитная_волна
3 Дифракция волн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный) — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий, но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн).
4 Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.
5 Отражение — явление частичного или полного возвращения волн (звуковых, электромагнитных и других), достигающих границы раздела двух сред (препятствия), в ту среду, из которой они подходят к этой границе. Угол между направлением движения отражённой волны и нормалью к границе раздела сред называется углом отражения; он равен углу падения, но расположен по другую сторону от нормали. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).