uabooks.top

Manapság senki nem csodálkozik azon, hogy környezetünket elektromágneses hullámok szelik át. Ezek a hullámok nem csak a mobiltelefon-hálózattal, televízió- és rádiósugárzással kapcsolatosak. Elektromágneses hullámokat különböző kozmikus objektumok (csillagok, ködök, bolygók), valamint bármilyen furán is hangzik, az ember is kisugároz. Egyes hullámok az előző pillanatban jöttek létre, egyesek viszont a Föld létezése óta jelen vannak. Felidézzük, hogy ki jósolta meg az elektromágneses hullámok létezését, megismételjük a hullámok tulajdonságait.

Hogyan jönnek létre elektromágneses hullámok?

Az elektromágneses hullám az elektromágneses tér rezgéseinek térbeli tovaterjedése.

Az elektromágneses hullámok létezését James Maxwell (22.1. ábra) jósolta meg 1873-ban. Elemezve az elektrodinamika akkor ismert összes törvényét, tisztán matematikailag jutott el arra a következtetésre, hogy a természetben létezniük kell elektromágneses hullámoknak. Csak 9 évvel halála után H. Hertz (22.2. ábra) német fizikus mutatta be az elektromágneses hullámok sugárzását és érzékelését.

Felidézzük, hogyan jön létre és hogyan terjed az elektromágneses hullám.

Veszünk egy váltakozóáram-járta vezetőt. Bármilyen áramjárta vezető mellett mágneses tér jön létre. Az áram által alkotott mágneses tér szintén váltakozó. Maxwell elmélete alapján a váltakozó mágneses tér váltakozó elektromos teret hoz létre; a váltakozó elektromos tér váltakozó mágneses teret hoz létre. Tehát megkaptuk az elektromágneses tér hullámainak terjedését - az elektromágneses hullámot (22.3. ábra). A hullám υ frekvenciája egyenlő a vezetőben lévő áramerősség változási frekvenciájával, a változó áramú vezető pedig az elektromágneses hullám forrása.

Maxwell elmélete szerint az elektromágneses hullám forrásaként bármilyen, gyorsuló mozgást végző részecske szolgálhat. Ha a részecske mozdulatlan vagy egyenletes mozgást végez, körülötte elektromágneses tér van jelen, viszont eközben nem sugároz elektromágneses hullámot. Az atomok, molekulák, atommagok belsejében végbemenő egyes folyamatokat

szintén elektromágneses hullámok kisugárzása kíséri (az ilyen folyamatok elméletét - a kvantumelméletet — a XX. században állították fel).

Hasonlóan ahhoz, ahogyan a mechanikus hullámok elszakadnak a forrásuktól (idézzétek fel a hanghullám terjedését és visszaverődését), az elektromágneses hullámok szintén képesek elszakadni az őket kibocsátó forrástól és önállóan „utazgatni” az éterben.

Milyen fizikai mennyiségek jellemzik az elektromágneses hullámot?

Az elektromágneses hullám, mint az elektromágneses tér terjedésének folyamata, elsősorban az E térerősségvektorral és а В mágneses indukcióvektorral jellemezhető. Bármely hullám időben és térben is egyaránt periodikus, ezért ezek a mennyiségek az idő és a forrástól lévő távolság változásával is periodikusan változnak. Maxwell elmélete alapján az E és В vektorok kölcsönösen merőlegesek mind a hullám terjedésének irányára, mind egymásra, miközben egyszerre érik el maximális értéküket, és egyszerre egyenlők nullával (22.4. ábra). Ezért az elektromágneses hullám - transzverzális (keresztirányú):

Jegyezzétek meg! Az a tény, hogy az elektromágneses hullám transzverzális, nem jelenti azt, hogy a térben hegyek és völgyek vannak. A hullám terjedésének irányában és a tér adott pontjában a feszültség és a mágneses indukció egyenletes változásai mennek végbe.

• A mechanikus hullámhoz hasonlóan az elektromágneses hullámot is a frekvencia (v), hullámhossz (λ) és terjedési sebesség (v) jellemzi. Ahogyan a mechanikai hullámok esetében, az említett mennyiségeket a hullám képlete köti össze:

A mechanikus hullámoktól eltérően az elektromágneses hullámok terjedéséhez nincs szükség közegre. Épp ellenkezőleg: az elektromágneses hullámok legjobban és leggyorsabban a vákuumban terjednek. Maxwell elméletileg kiszámította az elektromágneses hullám vákuumbeli terjedésének sebességét, és megállapította, hogy a kapott érték megegyezik a fény terjedési sebességével a vákuumban (azt kísérleti úton megmérték):

Maxwell az akkori időkben merésznek számító feltételezéssel állt elő: a fény az elektromágneses hullámok egyik fajtája. A tudós nem csak kiderítette a fény természetét, hanem különböző típusú elektromágneses hullám létezését és tulajdonságait is megjósolta.

A vákuumban — és csakis abban — minden elektromágneses hullám azonos sebességgel (c) terjed, ezért a vákuumban az elektromágneses hullám hosz-sza és frekvenciája a következő képlettel köthető össze:

Közegek közötti átmenet során változik az elektromágneses hullám sebessége és hullámhossza, viszont frekvenciája változatlan marad.

Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége a levegőben nagyjából azonos vákuumbeli sebességükkel.

Idézzétek fel, hogy nevezik azt a jelenséget, amelyben a közegek közötti átmenet során megváltozik a fény sebessége! Vajon ez a jelenség az elektromágneses hullámok esetében is megfigyelhető?

Az elektromágneses hullámok, a mechanikus hullámokhoz hasonlóan, energiát továbbítanak. Az elektromágneses hullám W energiája egyenesen arányos a frekvencia negyedik hatványával:

Milyen tulajdonságai vannak az elektromágneses hullámoknak?

Elektromágneses hullámokat elsőként Hertz hozott létre és tanulmányozott 1888-ban. Erre a célra összeállított egy egyszerű szerkezetet, amelyet később Hertz-féle vibrátornak neveztek el (22.5. a ábra). Amikor a két sárgaréz

golyót magas potenciálkülönbségre töltötték fel, közöttük szikra keletkezett, és a környezetbe elektromágneses hullám sugárzódott ki (Hertz kísérleteiben a hullám frekvenciája elérte az 500 MHz-et).

Hogy a keletkezett hullámokat fogni lehessen, Hertz rezonátort készített (22.5. b ábra). Változtatva a szikraköz nagyságát, a tudós a rezonátort beállította a vibrátor rezgéseinek frekvenciájára. Változó elektromos tér hatására a vibrátor által létrehozott elektromágneses hullám a rezonátorban áramváltozást eredményezett. A rezonancia idején a rezonátor gömbjein a feszültség hirtelen megnőtt, ezért azokban a pillanatokban, amikor a vibrátor gömbjei között kisülés jött létre, a rezonátor szikraközében alig észrevehető' szikrácskák keletkeztek (22.5. c ábra), amit csak nagyítóval és csak sötétben lehetett észlelni.

Hertz nemcsak létrehozta az elektromágneses hullámokat, hanem kísérletileg bebizonyította azon tulajdonságait, amelyeket a maga idejében Maxwell jósolt meg.

Elektromágneses hullámok tulajdonságai és Hertz kísérletei

tanulmányozásukra

Az elektromágneses hullámok visszaverődnek a vezetőkről.

A laboratórium falára Hertz 4x2 m méretű cinklemezt rögzített, gömb alakú tükör és vibrátor segítségével elektromágneses hullámnyalábot hozott létre, és szög alatt a cinklemezre irányította azt. A tudós megállapította, hogy a visszaverődési szög megegyezik a beesési szöggel.

Az elektromágneses hullámok a dielektrikumok határán megtörnek.

Az elektromágneses hullámok törésének tanulmányozására a tudós egy 1,5 m magas és 1200 kg tömegű aszfalthasábot készített. A hasábot a vibrátor és a rezonátor közé helyezve azt vette észre, hogy a szikra a rezonátorban eltűnt. Akkor lett ismét szik-raképzó'dés, amikor a rezonátorral a hasáb alapjához közelített.

Az elektromágneses hullámok megkerülik azokat az akadályokat, amelyek hossza megegyezik a hullám hosszával (diffrakció jelensége); az elektromágneses hullámok eró'síthetik és gyengíthetik is egymást (interferencia jelensége).

A rezonátort a vibrátor és a cinklemez között mozgatva Hertz a szikra eró'södését és gyengülését vagy teljes eltűnését figyelte meg.

Kísérleteinek összegzéseképpen Hertz azt írta naplójába: „...a kísérletek eredményei a fény, a hősugárzás és az elektromágneses hullámok azonos természetét bizonyítják.”

Összegezés

Az elektromágneses hullám az elektromágneses tér rezgéseinek térbeli tovaterjedése.

Az elektromágneses hullám — transzverzális; az elektromágneses hullámokat jellemzó' É és В vektorok kölcsönösen merőlegesek mind a hullám terjedésének irányára, mind egymásra, miközben egyszerre érik el maximális értéküket és egyszerre egyenló'k nullával.

Az elektromágneses hullámok sebességét, hosszát és frekvenciáját a

képlet köti össze.

Az elektromágneses hullámok sebessége a vákuumban mindenfajta elektromágneses hullám esetében állandó és megegyezik a fénysebességgel

Vákuumban a hullám képlete

Hertz kísérletei bebizonyították, hogy az elektromágneses hullámok vissza-veró'dnek a vezetőtől, a dielektrikumok határain megtörnek, képesek erősíteni és gyengíteni egymást (interferencia), megkerülik az akadályokat (diffrakció). Eközben az elektromágneses hullámok visszaverődése, törése, interferenciája és diffrakciója ugyanolyan törvények szerint megy végbe, mint a fény esetében.

Ellenőrző kérdések

1. Mit nevezünk elektromágneses hullámnak? 2. Ismertessétek az elektromágneses hullámok létrejöttének mechanizmusát! Milyen objektumok képesek elektromágneses hullámokat sugározni? 3. Bizonyítsátok be, hogy az elektromágneses hullám transzverzális! 4. Milyen összefüggés van a hullámhossz, frekvencia és a hullám terjedési sebessége között? 5. Hogyan függ az elektromágneses hullámok energiája a frekvenciától? 6. írjátok le azoknak a szerkezeteknek a felépítését, melyek segítségével Hertz eló'állította és kimutatta az elektromágneses hullámokat! 7. Az elektromágneses hullámok milyen tulajdonságaira derült fény Hertz kísérletei során? Ismertessétek ezeket a kísérleteket!

22. gyakorlat

1. A mozgó töltött részecske milyen esetekben bocsát ki elektromágneses hullámokat?

a) A részecske egyenes vonalú egyenletes mozgást végez.

b) A részecske akadállyal ütközve hirtelen lefékez.

c) A részecske a mágneses térben egyenletes körmozgást végez.

d) A részecske az elektromos tér hatására sebességre tesz szert.

2. Töltsétek ki a táblázatot! Tekintsétek úgy, hogy a hullámok vákuumban terjednek!

3. Miközben az elektromágneses hullám a vákuumból egyéb közegbe megy át, hullámhossza З-szorosan csökkent. Hányszorosára, és hogyan változott a hullám terjedési sebessége?

4. A 22.2. ábra segítségével az 1. ábrán tüntessétek fel az elektromágneses hullám E, В és ΰ vektorai közül a hiányzó vektor irányát! Útbaigazítás: jobb kezetek hüvelyujját irányítsátok a transzverzális hullámok irányába (a ΰ vektor iránya), akkor négy behajlított ujjatok megmutatják az irányt az É vektortól а В felé.

5. A radar jele az objektumról visszaverődve 30 ps alatt ért vissza. A radartól mekkora távolságra van az objektum?

Hány rezgés megy végbe a 20 mm hullámhosszú elektromágneses hullámban egy óra alatt, ha frekvenciája megegyezik a hanghullámok 100 Hz frekvenciájával? Tekintsétek úgy, hogy az elektromágneses hullám vákuumban terjed! Amikor a lakóházak fölött repülőgép száll el, a televízió képernyőjén néha kettős kép jön létre. Mi ennek az oka?

Milyen természeti jelenségek idején jönnek létre elektromágneses hullámok? Válaszotokat magyarázzátok meg!

A Föld felszíne visszaveri vagy elnyeli az elektromágneses hullámokat? Válaszotokat magyarázzátok meg! Milyen tények igazolják a véleményeteket?

10. Tudjátok meg, hogy a vezető testek miért verik vissza és miért nyelik el az elektromágneses hullámokat!

11. Napjainkban a csillagászok egyre gyakrabban használnak rádióteleszkópot — rádióhullámú elektromágneses hullámok vételére és vizsgálatára alkalmas csillagászati eszközt (2. ábra). Az optikai teleszkópok a látható fényt, ultraibolya és infravörös sugárzást érzékelik, ezzel szemben a rádióteleszkópok olyan, szemmel nem érzékelhető rádióhullámokat érzékelnek és rögzítenek, amelyeket bolygók, csillagok, ködök bocsátanak ki. A világ legnagyobb rádióteleszkópja a Harkiv megyében található UTR-2 (3. ábra). Dekaméteres tartományban működik és az ukrán csillagászok a segítségével „hallgatják” a világűr zajait. Tudjátok meg, hogy a csillagászatban milyen felfedezéseket köszönhetnek a rádióteleszkópoknak!

„Okos házak" építője

А II. fejezet végén található enciklopédikus oldalon olvashattok a jövő otthonairól - az „okos házakról". Az ilyen házakat olyan szakemberek építik majd, akik komoly termo- és elektrodinamikái, programozási és elektronikai tudással rendelkeznek. Az ilyen ház elemeit 3D nyomtatóval készítik, amelyek kezelői programozási szakemberek. Tehát az okos házak építői - a jövő szakemberei.

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev