На головну

 До методики викладу теми про електромагнітне випромінювання у викладанні фізики - Математика

А. І. Іванов, Л. П. Казанцева, Ярославський педагогічний університет ім. К.Д. Ушинського

У підручниках фізики і в методичній літературі при розгляді питань про випромінювання електромагнітної енергії основна увага приділяється кількісній стороні явища, але недостатньо висвітлена фізична сторона, механізм явища.

У даний роботі зроблено спробу заповнити цю прогалину.

Випромінювання пов'язано з кінцевою швидкістю поширення електромагнітної хвилі [1]. При нескінченно великій швидкості руху електромагнітної хвилі не було б запізнювання і енергія, що йде від джерела хвилі при зростанні струму в ньому, повністю поверталася б назад при убуванні електричного струму. При кінцевої швидкості C руху хвилі за час t зростання струму в контурі від нуля до максимального значення електромагнітна хвиля досягає точки, віддаленої від контуру на відстані X1 = C t. У цей час енергія електричного струму в джерелі перетворюється на енергію поля і рухається від контуру. На рис. приведений розріз просторової фігури ("розетки"), у всіх точках поверхні якої миттєві значення магнітної складової поля однакові. Поширення енергії відбувається в усі сторони в основному вздовж радіальної площини OA.

Як тільки сила струму в контурі починає спадати, напруженість магнітної складової поля поблизу контуру стає менше, ніж у видаляти електромагнітному полі. Тому в просторі, що оточує джерело поля, відбувається складний процес. З одного боку, випромінювана енергія поля продовжує рух від контуру, а, з іншого боку, частина ізлучённой енергії поля повертається назад. За час ? зменшення струму від максимального значення до нуля частина випромінюваної енергії поля, продовжуючи свій рух, досягає точки X2 = (t + ?). Вся енергія, укладена в полі, не встигає повернутися назад до джерела, так як для цього треба було б час t + ? = T. Тому частина енергії електромагнітного поля, що пішла на відстань більшу, ніж, рухатиметься від контуру разом з електромагнітної хвилею. Отже, за період T = t + ? зміни струму в контурі енергія поля, що пішла на відстань, більшу, чемізлучается.

Таким чином, є дві різні області поля навколо джерела: ближня і дальня зони.

Кордон ближньої зони неважко встановити. Якщо струм в контурі зменшується від максимального значення до нуля за час ?, то для повернення енергії поля з самою віддаленої точки ближньої зони потрібно времядля передачі енергії зі швидкістю C і стільки ж часу для зворотного руху поля і його енергії до контуру. Звідси випливає, що межа між ближньої і дальньої зоною проходить на відстані від джерела, рівному.

Адресовану вчителям фізики та студентам кількісну оцінку потужності випромінювання неважко отримати на основі відомої їм теорії електромагнітного поля [2].

Джерелом електромагнітного поля може бути короткий відрізок провідника, вздовж якого електричний заряд q здійснює коливальний рух. При цьому збуджується магнітне поле, лінії якого перпендикулярні як до вектора скоростізаряда, так і до нормальної складової вектора напряжённостіелектріческого поля (рис.2). Відповідно до закону Біо і Савара

(1)

енергія електромагнітного поля в елементарному обсязі dV, взятому в області випромінювання, становить

(2),

де dV = r2 dr sin? d? d?, (3).

Потужність випромінювання дорівнює

(4).

Середня потужність випромінювання за час ? з учётомоказивается рівній

(5).

Ця чудова формула загальновідома. Вона грає фундаментальну роль в теорії електромагнітного випромінювання.

З отриманої формули випливає, що потужність випромінювання при інших рівних умовах збільшується в міру збільшення частоти (зменшення t + ?). Пояснюється це тим, що при збільшенні частоти межа далекої зони виявляється ближче до джерела хвилі, де щільність енергії вище. Крім того з (5) випливає, що потужність випромінювання пропорційна квадрату лінійного прискорення. При відсутності лінійного прискорення, тобто при постійній швидкості руху електричного заряду випромінювання відсутнє.

Але зовсім по іншому виглядає картина, коли електрон рухається швидше за світло. Це можливо, якщо в конкретному середовищі швидкість світла набагато менше швидкості світла у вакуумі. Такі речовини є. Наприклад, в плексиглаза швидкість світла становить близько 2? 108 м / с. Швидкі електрони вчені навчилися отримувати шляхом бомбардування легких атомів важкими частинками. У цьому випадку, коли електрон рухається швидше за світло в даному середовищі, він тікає від породженої їм електромагнітної хвилі. При цьому електромагнітна енергія випромінюється у вигляді конуса під кутом

між віссю руху і поверхнею конуса (рис.3)

Спостерігаючи проходження швидких електронів у водному розчині солей урану (ураніле), аспірант академіка С.І. Вавилова П.А. Черенков в 1934 році виявив слабке світіння синього кольору [3] .В ході обговорення результатів спостережень вчитель і учень прийшли до висновку, що невідома до того часу явище, назване пізніше "світіння Черенкова", або сверхсветовой випромінюванням. Більше 20 років знадобилося для теоретичного пояснення сверхсветового випромінювання Черенкова П.А. У 1958 році вчені С.І. Вавилов, П.А. Черенков, І.Є. Тамм і І.М. Франк були удостоєні Нобелівської премії за відкриття і пояснення черенковських випромінювання. У своїй нобелівської лекції І.Є. Тамм говорив, що ми довго не могли пояснити бачимо світіння тому, що в молоді роки нас вчили, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Така ціна догматизму в науці і в навчанні.

В даний час лічильники черенковських випромінювання встановлюються на супутниках і космічних ракетах для випромінювання космічних променів.

Список літератури

Іванов А.І. Електрична енергія: як вона передається від генератора до споживача. // Ярославський педагогічний вісник. 1998. Т.2. С.105-109.

Каплянскій А.Є. та ін. Теоретичні основи електротехніки, ДЕІ, Москва, 1961. С. 172-185.

Лешковцев В.А. З історії радянської фізики // Фізика в школі. 1967. № 5.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.yspu.yar.ru

© 8ref.com - українські реферати
8ref.com