Реферат на тему «Измерение скорости электромагнитных волн в микроволновой части спектра»

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретический материал

1.1       Волновые процессы

1.2       Уравнения Максвелла

1.3       Электромагнитные волны и их виды

Глава 2. Измерение скорости распространения электромагнитной волны

2.1 Экспериментальное определение длины и скорости распространения электромагнитных волн в воздухе методом стоячей волны

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Электромагнетизм и электромагнитные волны, являются одним из фундаментальных разделов физики. Их открытие изменило взгляд ученых на устройство мира с точки зрения физики, повлияло на изобретение новых средств связи и других различных устройств, дало основу для дальнейшего развития физических теорий. Стоит также сказать, что электромагнетизм, как раздел физики был изучен благодаря подробному анализу и рассмотрению электрических и магнитных явлений: возникновение и свойства электрических зарядов, электрические и магнитные поля, взаимодействия электрических зарядов, свойства электрического тока, явление электромагнитной индукции. Одним из главных выводов при изучении которых стали уравнения электродинамики (1873 г.), также известные по имени известного ученого Д. Максвелла. По своей значимости они сравнимы с законами Ньютона в механике — эти уравнения связывают характеристики электромагнитного поля и его источники.

В данной работе будут рассмотрены общие понятия электромагнетизма, некоторые теоретические разделы. Целью работы является изучение процесса распространения электромагнитных волн и экспериментальное определение их длины и скорости распространения в воздухе методом стоячей волны.

Метод, описанный в данном проекте, получил широкое распространение и известен благодаря своей простоте и наглядности.

Теоретический материал

1.1. Волновые процессы

Упругой волной называют процесс распространения возмущения в упругой среде. При этом происходит распространение возмущения частиц среды, без переноса вещества, происходит лишь перенос энергии. Среду следует рассматривать, как сплошную и непрерывную, упуская ее атомарное строение.

Возникают волны по общему принципу, возмущение (колебание какого-то параметра) произошедшее в какой-либо точке среды А в некоторый момент времени, с определенной закономерностью проявляется на некотором расстоянии от точки А, то есть переносится с определенной скоростью.

Рис.1 Визуализация упругих волн: продольная и поперечная волна.

Рассмотрим основные характеристики волн:

• Длина волны  – расстояние между двумя точками возмущенной среды, которые находятся в одной фазе. (то есть имеют одинаковую фазу или своими словами «одинаково» возмущены)
• Период волны – есть время за которое волна проходит расстояние равное длине волны.
• Скорость волны – характеристика скорости распространения возмущений. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется.
• Частота волны величина обратная периоды, которая характеризует сколько раз в секунду происходят колебания.

1.2 Уравнения Максвелла

 Систему уравнений Максвелла составляют четыре уравнения:

1)                                — следствием первого уравнения, записанного в интегральной

                                   Форме является то, что источником электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и изменяющиеся во времени магнитные поля.

2)                                — следствием второго уравнения явлется то, что магнитные поля                                могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами, либо либо переменными электрическими полями.

3)                                — статическое электрическое поле возбуждается электрическими                               зарядами, которые неизменны во времени.

4)                                — магнитное поле не имеет стоков и истоков, линии поля не имеют                            начала и конца, такое поле называется вихревым.

1.3 Электромагнитные волны и их виды

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. ЭМ волна — распространение ЭМ полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля — электрические заряды, движущиеся с ускорением.

ЭМ волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

ЭМ волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с, то есть со скоростью света. (здесь и далее по тексту сокращение ЭМ волны – электромагнитные волны)

Рис.2 Колебания векторов электрической напряженности и магнитной индукции при распространении ЭМ волны. (Источник:http://fizmat.by/kursy/jelektromagnt/jelmagn_volny)

Электромагнитная волна, как и любая другая волна не переносит вещество, а переносит в пространстве энергию.

Энергия, носителем которой выступает электромагнитное поле:     , где

 — абсолютные электрическая и магнитная проницаемости среды, в которой находится электромагнитное поле

 значения относительной электрической и магнитной проницаемости среды

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн. В вакууме ЭМ распространяются со скоростью света:

ЭМ волны классифицируют по длине волны разделяя весь спектр длин волн на диапазоны. Одним из диапазонов являются микроволны (СВЧ волны – сверх высоко частотные) – они характеризуются длинами волн от 1 м до 1 мм

Рис.3 Классификация ЭМ волн. (Источник: http://bourabai.kz/toe/em-scale.htm)

Измерение скорости распространения электромагнитной волны

Для того, чтобы измерить скорость электромагнитной волны в нужном диапазоне, нам нужен соответствующий источник. В нашем опыте им будет микроволновая печь. Микроволновая печь, а точнее одна из его составляющих – магнетрон, генерирует микроволны с частотой 2.45 ГГц, то есть период колебаний равен с

Микроволновое излучение имеет высокий коэффициент поглощения веществом, что приводит к существенному нагреву и именно поэтому люди используют микроволновку для разогрева пищи.

Рис. 4 Рис. 5 Схема образования «стоячей волны»

(Источник: https://moluch.ru/young/archive/23/1396/)

При этом внутри камеры образуется стоячая волна. Стоячая волна – это такая волна, источник которой имеет постоянное положение в пространстве, а прямо напротив распространения этой волны находится препятствие, в результате чего колебания, идущие к «препятствию» и от него, складываются, образуя результирующую волну с ярко выраженными минимума и максимумами. Например, можно представить себе стоячую волну на примере веревки. Необходимо привязать один конец к неподвижному объекту, а свободный конец заставить колебаться вверх-вниз. Если дёргать верёвку с постоянной частотой, то на ней образуется устойчивая картина колебательного процесса, которая и называется стоячая волна. Точки, в которых суммарная амплитуда волны максимальна, называются пучностями, а где амплитуда равна нулю – узлами. В пучностях электромагнитной волны энергия выше, чем в остальных точках, поэтому вещество, подвергающееся нагреву в микроволновой печи будет иметь наиболее «расплавленные» области в соответствующих точках — пучностях ЭМ волны.

Зная период колебании и узнав из эксперимента длину волны можно определить скорость колебаний по формуле:

В следствии отсутствия у меня микроволновой печи, результаты опытов были взяты из сети Интернет.

Опыт. Поставим яичный белок на не вращающуюся подставку в микроволновой печи. Через 30 секунд выключим печь и измерим расстояние между явными областями нагрева. Мы получили два видимых результата, которые запишем.

Ход эксперимента

    —  средняя

Как видно, скорость распространения волны микроволнового диапазона приблизительно равна , это говорит о том что относительная электрическая и магнитная проницаемость в воздухе с определенной погрешностью равна единице, чем и пользуются при решении физических задач.

Заключение

Приведен краткий теоретический конспект по электромагнетизму, рассмотрены основные характеристики волн и их классификация. Проведен эксперимент по определению скорости распространения электромагнитных волн микроволнового спектра в результате которого получено, что значение скорости ЭМ волн приблизительно равно скорости света. Этот вывод исторически дал предположение о том, что свет является электромагнитной волной, дав толчок для изучения нового направления в физической науке.

Список использованной литературы:

1. Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы: Учебное пособие для физич. спец. вузов. – 5-е изд., испр. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 263 с.
2. Прохоров, Л. А. Измерение скорости света с помощью микроволновой печи / Л. А. Прохоров, Н. С. Сонкина. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2019. — № 3 (23). — С. 47-51. — URL: https://moluch.ru/young/archive/23/1396/ (дата обращения: 19.05.2020).
3. Савельев И.В. Курс общей физики в 4-х томах. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – М.: КноРус, 2012. – Т.2. – 576 с.
4. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля, как способ описания электромагнитных явлений. [Электронный ресурс]. URL: https://elenergi.ru/uravneniya-maksvella-dlya-elektromagnitnogo-polya-kak-sposob-opisaniya-elektromagnitnyx-yavlenij.html (дата обращения: 18.05.2020).
5. Шкала электромагнитных волн. [Электронный ресурс].URL: http://bourabai.kz/toe/em-scale.htm (дата обращения: 19.05.2020).
6. Домашняя исследовательская работа «Измерь скорость света со вкусом». [Электронный ресурс]. URL: http://t-z-n.ru/prehme/docs/homework.pdf (дата обращения: 19.05.2020).
7. А.Л. Суркаев, С.О. Зубович. Определение скорости распространения электромагнитных волн. Методические указания URL: http://www.volpi.ru/files/vpf/vpf_library/new/235.pdf (дата обращения: 19.05.2020).