что такое открытый колебательный контур
§ 49. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн
Как мы уже знаем, электромагнитная волна образуется в результате взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля приводит к появлению другого.
В § 12 и 17 говорилось, что, чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.
Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Именно при этом условии напряженность электрического поля 
и индукция магнитного поля 
будут меняться быстро.
Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Циклическая частота колебаний
будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость С контура.
Открытый колебательный контур
Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В обычном контуре, какой изображен на рисунке 4.3 (его можно назвать закрытым), почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора (рис. 7.2), уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Потому соответствующая им частота колебаний весьма велика.
В открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.) Электромагнитное поле охватывает все пространство вблизи контура.
Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Провод разрезали посредине с таким расчетом, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 7.3). Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра (рис. 7.4), цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания.
Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала.
В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или генератора другого типа.
Колебательный LC контур: принцип действия, расчет, определение
Сегодня нас интересует простейший колебательный контур, его принцип работы и применение.
За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал.
Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.
По определению колебательный контур (или LC-контур) – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Принцип действия колебательного контура
Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току конденсатора.
Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.
Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.
Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем, существование которого, как известно, невозможно.
Еще одна важная характеристика LC-контура – добротность Q. Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.
Резонанс LC-контура
Электромагнитные колебания в LC-контуре происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C, индуктивность катушки L, сопротивление резистора R (для LCR-контура).
Как рассчитать резонансную частоту колебательного контура? Очень просто! Приведем окончательную формулу:
Применение колебательного контура
Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.
Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис. Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!
Открытый колебательный контур. Антенны
Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором.
Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый.
Емкость открытого колебательного контура образована двумя длинными проводами, отходящими от концов катушки. По всей длине любого провода распределено огромное количество элементарных индуктивностей и емкостей. Полученный колебательный контур называется симметричной полуволновой антенной или симметричным полуволновым вибратором. Антенна состоит из двух одинаковых половин, поэтому она симметричная. Полуволновой она называется потому, что резонанс на частоте сигнала будет в ней в том случае, если длина L будет равна половине длины волны принимаемого или передаваемого сигнала.
При появлении в ней колебаний электрического тока вокруг антенны будут образовываться переменные магнитное и электрическое поля, создающие в совокупности электромагнитное поле. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а дальность его излучения зависит от амплитуды переменного тока в антенне, т. е. от мощности электрических колебаний в антенне.
Широкое распространение имеет несимметричный вибратор. Он представляет собой одну половину симметричной антенны, а другая заменена шасси приемника, корпусом радиостанции, корпусом автомобиля или противовесом.
Ток максимален в основании несимметричной антенны, а на конце равен нулю. Напряжение максимально на конце, а в основании равно нулю.
Эта антенна еще называется четвертьволновой потому что резонанс будет в том случае если ее длина будет равна четверти длины волны принимаемого сигнала.
Распространение радиоволн
Электромагнитными волнами или радиоволнами называется совокупность электрических и магнитных полей распространяющихся в пространстве.
Радиоволны делятся на диапазоны:
ДВ- до 100 кГц, 30-100 кГц;
СВ- 100 кГц-1500 кГц;
КВ- 6 мГц- 30 мГц;
УКВ- свыше 30 мГц.
Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (С=300000 км/сек).
В отличие от звуковых электромагнитные волны могут распространяться и в безвоздушном пространстве, например в космосе. При этом они теряют часть своей энергии и постепенно затухают. Степень затухания и величина расстояния, «пройденного» электромагнитными волнами, в значительной степени зависят от длины волны.
Длиной электромагнитной волны λ называют расстояние, на которое она распространяется за период Т одного колебания тока в антенне, т. е. λ=СТ.
Зная длину волны, можно определить частоту колебаний тока в антенне: f= C/λ.
На практике для перевода частоты колебаний в длину волны и длины волны в частоту удобно пользоваться следующими формулами:
При подстановке в эти соотношения длины волны в метрах частота будет измеряться в мегагерцах.
В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Однако атмосфера — неоднородная среда. На разных расстояниях от передающей радиостанции давление, температура, плотность, влажность и другие параметры атмосферы различны.
Под действием солнечных и космических излучений из атомов газов, входящих в состав атмосферы, выделяются свободные электроны, а атомы превращаются в положительные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Больше всего ионов содержится в верхнем слое атмосферы — ионосфере, находящейся на расстоянии 50. 80 км от поверхности Земли. Скорость распространения радиоволн в средах с разными электрическими свойствами неодинакова. Это приводит к тому, что при переходе из одной среды в другую они преломляются, т. е. изменяется направление распространения радиоволн.
Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к горизонту (пространственные волны).
Поверхностные радиоволны хорошо огибают предметы, если размеры последних меньше длины волны. При приеме сигналов радиостанций, работающих в длинноволновом диапазоне, в основном используется энергия поверхностных волн. Но энергия длинных поверхностных волн поглощается поверхностью Земли, поэтому по мере удаления от станции громкость приема ее передач уменьшается вплоть до полного исчезновения. Для увеличения дальности действия такой радиостанции повышают мощность ее передатчика.
Средние волны хуже огибают различные неровности земной поверхности и сильнее ею поглощаются. В связи с этим при одинаковых мощностях передатчиков расстояние, на котором осуществляется уверенный прием передач длинноволновой радиостанции, больше, чем средневолновой.
Основным достоинством поверхностных радиоволн является то, что в пределах их действия обеспечивается устойчивая радиосвязь.
Не вся энергия электромагнитных волн, излучаемых антенной радиостанции, переносится поверхностными радиоволнами, часть ее создает пространственные радиоволны, которые, достигнув слоя ионосферы, преломляются в сторону Земли. Степень преломления зависит от плотности ионизированных атомов газа, угла падения пространственной волны и ее длины: чем длиннее радиоволна, тем сильнее она преломляется.
Пространственные радиоволны длинноволнового диапазона преломляются в нижних слоях ионосферы, и направление их распространения в этих слоях изменяется настолько, что они снова направляются к Земле, как бы отразившись от ионосферы. Пространственные радиоволны могут попасть в зону, куда не доходят поверхностные радиоволны. Благодаря этому можно слушать передачи радиостанции, работающей в ДВ диапазоне, в районе, которого не достигают поверхностные радиоволны. Между зонами приема поверхностных и пространственных радиоволн находится зона, в которой прием сигнала работающей радиостанции отсутствует. Ее называют «мертвой» зоной, или зоной молчания.
Пространственные радиоволны СВ диапазона глубже проникают в ионосферу, чем длинные волны, и вследствие этого происходит их более сильное затухание. Днем оно настолько значительное, что радиосвязь в СВ диапазоне можно осуществлять лишь с помощью поверхностных волн. С заходом солнца ионизация атомов газа уменьшается, ослабляется и затухание пространственных волн. Вот почему ночью СВ диапазон почти полностью «забит» работающими радиостанциями, а днем в этом диапазоне слышны лишь близко расположенные или мощные радиостанции.
Поверхностные волны коротковолнового диапазона затухают интенсивнее, чем средние волны. Поэтому радиосвязь с пунктами, расположенными на больших расстояниях, осуществляется на KB с помощью пространственных волн, благодаря их многократному преломлению в ионосфере. Проникнув в ионосферу, короткие волны могут пройти в ней значительное расстояние без заметного затухания и вернуться обратно на Землю за тысячи километров от радиостанции или, обогнув Землю, быть принятыми в месте расположения радиостанции. Недостатком коротких волн является наличие зон молчания. Кроме того, непостоянство свойств ионосферы в течение суток (например, вследствие изменения солнечной активности), времен года не оставляет неизменной степень преломления пространственной радиоволны. Это приводит к изменению границ зоны приема пространственной волны и зоны молчания. При работе на KB наблюдаются также «замирания» радиоволн: громкость радиопередачи уменьшается и может даже полностью исчезнуть.
Через некоторое время она снова появляется и увеличивается до уровня нормальной.
Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы, а проходят через нее. Поэтому радиосвязь на УКВ возможна только с помощью поверхностных волн.
Можно считать, что УКВ вблизи земной поверхности распространяются прямолинейно, т. е. в пределах прямой видимости. Однако неоднородность атмосферы приводит к тому, что УКВ распространяются несколько дальше прямой видимости. В некоторых случаях радиоволны, излучаемые под малым углом к горизонту, преломляются так, что снова попадают на Землю, отражаются от нее, затем, отразившись от нижних слоев атмосферы, опять попадают на Землю и т. д.
Область, в которой происходит описанное явление, образует так называемый волноводный канал. Дальность радиосвязи в таком случае может в десятки раз превышать дальность прямой видимости. Этим явлением объясняются случаи сверхдальнего приема радио и телепередач.
Чтобы увеличить дальность радиосвязи на УКВ, необходимо увеличить дальность прямой видимости. Для этого передающую и приемную антенны устанавливают как можно выше. Так как УКВ более сильно затухают в атмосфере, для увеличения расстояния их распространения следует увеличивать мощность передатчика.
Дальность радиопередач можно значительно увеличить, используя искусственные спутники Земли, которые принимают УКВ, усиливают их и снова излучают на Землю.
Что такое открытый колебательный контур
Электромагнитные колебания всегда должны создавать электромагнитные волны, но на практике эти волны не всегда легко обнаружить и использовать.
В колебательном контуре, изображенном на рие. 27.1, происходит лишь обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а потери энергии на создание электромагнитных волн в окружающем пространстве очень малы. Поэтому такой колебательный контур называют закрытым. Действительно, закрытый колебательный контур создает настолько слабые волны, что их можно обнаружить только с помощью специальных высокочувствительных устройств. Что же нужно сделать, чтобы увеличить интенсивность электромагнитных волн?
Первые опыты в этой области были сделаны Г. Герцем (§ 27.8), неокончательное решение указанного вопроса было найдено только после работ А. С. Попова.
Закрытый колебательный контур почти не создает в окружающем пространстве электромагнитных волн, потому что изменения электрического и магнитного полей этого контура происходят в весьма ограниченной области пространства (внутри конденсатора и катушки). Для создания интенсивных волн необходимо производить эти колебания в открытом пространстве так, чтобы изменяющиеся поля охватывали контур со всех сторон.
Электромагнитные волны, воздаваемые колебательным контуром, называют электромагнитным излучением. Для увеличения излучения контура можно раздвинуть обкладки конденсатора (рис. 27.5, а). Такой колебательный контур называют открытым. Однако и в этом случае интенсивность излучения оказывается недостаточной для практических целей.
Попов нашел значительно более эффективный способ увеличения мощности излучения, создаваемого контуром. Он оставил контур
неизменным, но один конец катушки заземлил, а к другому концу присоединил вертикальный провод со свободным верхним концом. Этот вершкальный провод А (рис. 27.5, б) теперь принято называть снижением. Все устройство, которое присоединяют к колебательному контуру для увеличения мощности электромагнитного излучения и для приема электромагнитных волн, называют антеяной (изобретена А. С. Поповым в 1895 г.).
Открытый колебательный контур
Цели урока: вместе с учащимися обосновать существование магнитного поля тока смещения; изучить дипольный индикатор переменного электрического поля; исследовать открытый колебательный контур; визуализировать электрическое поле излучающего диполя.
Цели развития: совершенствовать умения выдвигать гипотезы и обосновывать их известными фактами; развивать умения построения теоретической модели явления и вывода из неё следствий; формировать умения доказательных и эвристических рассуждений, умения обнаруживать симметрию физических явлений.
Цели воспитания: формировать убеждённость в интернациональности физической науки; воспитывать восхищение научным подвигом Фарадея, Максвелла и Герца.
2.1. Введение
Учитель. На сегодняшнем уроке вы должны убедиться главным образом в том, что ток высокой частоты принципиально ничем не отличается от привычного вам переменного электрического тока, но обладает интересными особенностями. Ток высокой частоты, как и любой другой ток, может идти по проводам, но он проходит и через диэлектрики, т.е. там, где не может пройти ни постоянный, ни переменный ток низкой частоты. Эти удивительные свойства переменного тока высокой частоты мы пронаблюдаем и исследуем в серии демонстрационных экспериментов.
2.2. Магнитное поле тока смещения
Учитель. На предыдущем уроке мы исследовали колебательный контур, катушка которого состояла из одного витка, а конденсатор представлял собой две рядом расположенные металлические пластины. Несколько изменим условия этого опыта, а именно, будем раздвигать пластины конденсатора.
Вы наблюдаете, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть. Чтобы лучше понять, что происходит, я рисую схему опыта (рис. 2.1). Вы видите, что по витку контура 1 течёт ток проводимости, а между пластинами конденсатора – равный ему ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, т.е. отсутствует направленное движение зарядов, индикатор 2 показывает наличие такого же магнитного поля, как если бы виток полностью был проводящим. Какой вывод отсюда следует?
Учащиеся. Опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости!
Учитель. Верно. Первым, кто об этом догадался, был великий английский физик Дж.-К.Максвелл. В те времена, конечно, не было источников электрического тока высокой частоты, и Максвелл просто не мог поставить опыты, подобные нашим. Суть построенной им теоретической модели заключается примерно в следующем.
Поскольку существует явление электромагнитной индукции, то можно допустить, что должно быть и симметричное ему явление магнитоэлектрической индукции (рис. 2.2). Так как изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое, напряжённость которого пропорциональна скорости изменения магнитного потока, то изменяющееся электрическое поле должно порождать вихревое магнитное, индукция которого пропорциональна скорости изменения электрического потока.
Допустив, что ток смещения даёт точно такое же магнитное поле, что и ток проводимости, Максвелл предсказал существование электромагнитного излучения, которое должно иметь волновой характер и распространяться в вакууме с такой же скоростью, что и свет.
Экспериментально доказал существование электромагнитных волн немецкий физик Г.Герц. Теория Максвелла опирается на несколько простых уравнений, из которых выводятся все соотношения классической электродинамики. Однако эта теория громоздка, поэтому на наших уроках мы используем лишь идеи теории Максвелла и опытов Герца.
Учащиеся. Давайте раздвинем пластины конденсатора ещё больше и посмотрим, будет ли идти ток смещения и возникнет ли вокруг него магнитное поле.
2.3. Индикатор переменного электрического поля
Учитель. Чтобы на опыте обнаружить ток смещения, нужен индикатор переменного электрического поля. В руках у меня лампа накаливания, с выводами которой соединены два одинаковых металлических стержня. Получается, что лампа включена в разрыв прямого проводника посередине. Концы этого проводника я соединяю с полюсами гальванического элемента (рис. 2.3, а). Дайте объяснение происходящему явлению.
Учащиеся. Лампа загорается, значит, через её нить проходит постоянный электрический ток. Он идёт потому, что в проводнике имеется стационарное электрическое поле. Это поле возникло из электростатического поля между разомкнутыми полюсами источника после соединения их с проводником.
Учитель. Теперь я повторяю опыт, но лампу соединяю с источником через конденсатор (рис. 2.3, б).
Учащиеся. Лампа не горит, потому что через конденсатор постоянный ток не проходит.
Учитель. Хорошо. Вместо источника постоянного напряжения возьмём генератор переменного напряжения звуковой частоты, повторим первые два опыта и сделаем из всей серии опытов общий вывод.
Учащиеся. При использовании переменного тока лампа горит независимо от того, разорвана цепь конденсатором или нет (рис. 2.4). Свечение лампы всегда свидетельствует о том, что через неё идёт ток. Но ток в проводнике возникает за счёт постоянного или переменного электрического поля, направленного вдоль проводника. Поэтому включённая в разрыв проводника лампа может служить индикатором электрического поля.
Учитель. Теперь давайте разберёмся с переменным электрическим полем высокой частоты. Я соединяю генератор УВЧ с двумя сферическими электродами. Затем ввожу между ними проводник с лампой и поворачиваю его. Объясните наблюдаемые явления.
Учащиеся. Между сферическими электродами имеется переменное электрическое поле. Когда проводник с лампой расположен вдоль прямой, соединяющей электроды, лампа горит (рис. 2.5, а), при повороте проводника в перпендикулярное положение лампа гаснет (рис. 2.5, б). Опыт показывает, что по проводнику с лампой идёт электрический ток лишь в случае, когда внешнее электрическое поле направлено вдоль проводника. Значит, проводник, посередине которого включена лампа, может показывать не только наличие переменного электрического поля, но и его направление.
2.4. Открытый колебательный контур
Учитель. Вы ещё не забыли, что предлагали раздвинуть пластины конденсатора колебательного контура? Настало время исследовать, что происходит, когда закрытый колебательный контур превращается в открытый. Для этого рядом с колебательным контуром я помещаю индикатор электрического поля, – его лампа не горит (рис. 2.6, а). Постепенно раскрываю контур, и вы наблюдаете, что лампа индикатора загорается (рис. 2.6, б). В чём причина этого явления?
Учащиеся. Электрическое поле теперь не сосредоточено между пластинами конденсатора, его силовые линии идут от одной пластины к другой через открытое пространство.
Учитель. Это кардинально меняет ситуацию: открытый колебательный контур излучает энергию в пространство! Интересно, а куда делось магнитное поле?
Учащиеся. Чтобы узнать это, нужно взять магнитный индикатор и покрутить его возле открытого контура.
Учитель. Правильно. Но, прежде чем начать делать это, мы открытый колебательный контур заменим излучающим диполем, или электрическим вибратором. Понятно, что электрическое и магнитное поля диполя, состоящего из двух одинаковых прямых отрезков проводов, значительно проще, чем у открытого колебательного контура, провода которого изогнуты и на концах снабжены пластинами.
Подношу к излучающему диполю параллельно ему индикатор электрического поля, который является приёмным диполем, и вы видите, что лампа индикатора загорается (рис. 2.7, а). Поворачиваю приёмный диполь перпендикулярно излучающему, и лампа гаснет (рис. 2.7, б). Что отсюда следует?
Учащиеся. Из опыта следует, что вектор напряжённости электрического поля параллелен излучающему диполю.
Учитель. Теперь вблизи излучающего диполя располагаю индикатор магнитного поля, поворачиваю его во всех направлениях и ввожу в него ферритовый сердечник. Что вы наблюдаете (рис. 2.8)? Для чего нужен ферритовый сердечник? Сделайте общий вывод из двух последних опытов.
Учащиеся. Лампа индикатора магнитного поля горит, когда его плоскость проходит через излучающий диполь. С помощью ферритового сердечника мы доказываем, что индикатор реагирует именно на магнитное поле, иначе можно подумать, что ток в витке индикатора возбуждается электрическим полем. Проделанные опыты показывают, что вблизи излучающего диполя имеются переменные электрическое и магнитное поля. Значит, соединённый с генератором УВЧ диполь даёт электромагнитное излучение.
Учитель. Как ориентированы в пространстве электрическое и магнитное поля этого излучения?
Учащиеся. Опыт показывает, что в любой точке, через которую проходит электромагнитное излучение, вектор напряжённости электрического поля параллелен излучающему диполю, а вектор индукции магнитного поля перпендикулярен ему.
2.5. Электрическое поле излучающего диполя
Учитель. Электрическое поле излучающего диполя можно сделать видимым, используя люминесцентную лампу. Но, чтобы понимать суть опыта, нужно вспомнить принцип действия такой лампы.
Учащиеся. Внутри баллона лампы имеются пары ртути при низком давлении. Когда лампа включается для освещения, по ней идёт ток, и электроны, сталкиваясь с атомами ртути, вызывают испускание ими ультрафиолетового излучения, которое возбуждает свечение люминофора, нанесённого изнутри на стенку лампы.
Учитель. Беру люминесцентную лампу и располагаю её параллельно диполю, подключённому к генератору УВЧ. Далее натираю пластину пенопласта шерстью, провожу наэлектризованным пенопластом возле лампы и поджигаю её. Вы видите характерное свечение лампы (рис. 2.9). Чем оно объясняется?
Учащиеся. Если лампу пронизывает электромагнитное излучение, то можно предположить, что его электрическое поле вызывает колебания свободных электронов, которые появляются за счёт ионизации газа в лампе наэлектризованным пенопластом. Колеблющиеся электроны возбуждают атомы ртути, поэтому лампа светится в тех местах, где напряжённость электрического поля электромагнитной волны максимальна.
Учитель. Сделайте вывод из проделанного эксперимента.
Учащиеся. Опыт показывает, что напряжённость электрического поля плавно изменяется вдоль излучающего диполя, причём на его концах она максимальна, а в центре близка к нулю.
Учитель. Вы могли сами заметить, что в целом распределение вдоль диполя напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля напоминает стоячую волну (рис. 2.10). Случайно ли это?
2.6. Заключение
Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?
Учащиеся. Мы узнали, что ток смещения даёт такое же магнитное поле, как обычный ток проводимости; что в качестве индикатора переменного электрического поля можно использовать диполь с лампой накаливания; научились превращать закрытый колебательный контур в открытый; на опыте убедились, что открытый контур излучает значительно сильнее, чем закрытый. Пожалуй, наиболее интересен опыт, в котором светится люминесцентная лампа, расположенная рядом с излучающим диполем.
Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.
1. Что такое ток смещения, каким выражением он определяется? Что понимают под магнитоэлектрической индукцией? (Г.Я.Мякишев, § 17; В.А.Касьянов, § 40.)
2. Как на опыте убедиться, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как ток проводимости? Насколько доказателен поставленный на уроке эксперимент? (Опорный конспект.)
3. Что представляет собой индикатор переменного электрического поля? Каков принцип действия этого прибора? (Опорный конспект.)
4. Что нужно сделать, чтобы энергия контура излучалась в окружающее пространство? Как исследовать это излучение? Как в электромагнитном излучении направлены электрическое и магнитное поля? (Г.Я.Мякишев, § 49; В.А.Касьянов, § 40.)
5. Как можно исследовать электрическое поле излучающего диполя? Каковы условия и результат соответствующего эксперимента? (Опорный конспект.)
6. Последовательно с лампой накаливания, расчитанной на напряжение 2,5 В и ток 0,068 А, включён конденсатор ёмкостью 1 мкФ. Каково должно быть напряжение генератора частотой 4 кГц, чтобы лампа горела полным накалом? (Опорный конспект.)
7. Переменное магнитное поле частотой 430 МГц и индукцией 3 · 10 8 Тл пронизывает виток диаметром 0,12 м. Найдите ЭДС индукции, возникающей в этом витке.
Вторая статья из восьми по теме «Электромагнитные волны». Первую статью см. в № 24/08