От чего зависит плотность потока электромагнитного излучения. Большая энциклопедия нефти и газа

>> Плотность потока электромагнитного излучения

§ 50 ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Электромагнитные волны переносят энергию из одних участков пространства в другие. Перенос энергии осуществляется вдоль лучей — воображаемых линий, указывающих направление распространения волны. Важнейшей энергетической характеристикой электромагнитных волн служит плотность потока излучения. Представим себе площадку площадью S, расположенную перпендикулярно лучам. Допустим, что за время t волна переносит через эту площадку энергию W. Иначе говоря, плотность потока излучения — это энергия, переносимая через единичную площадку (перпендикулярную лучам) в единицу времени; или, что то же самое — это мощность излучения, переносимая через единичную площадку. Единицей измерения плотности потока излучения служит Вт/м2. Плотность потока излучения связана простым соотношением с плотностью энергии элек¬тромагнитного поля. Фиксируем площадку S, перпендикулярную лучам, и небольшой промежуток времени t. Сквозь площадку пройдёт энергия: W = ISt. Эта энергия будет сосредоточена в цилиндре с площадью основания S и высотой ct, где c — скорость электромагнитной волны.Объём данного цилиндра равен: V = Sct. Поэтому если w — плотность энергии электромагнитного поля, то для энергии W получим также: W = wV = wSct. Приравнивая правые части формул и и сокращая на St, получим соотношение: I = wc. Плотность потока излучения характеризует, в частности, степень воздействия электромаг¬нитного излучения на его приёмники; когда говорят об интенсивности электромагнитных волн, имеют в виду именно плотность потока излучения. Интересным является вопрос о том, как интенсивность излучения зависит от его частоты. Пусть электромагнитная волна излучается зарядом, совершающим гармонические колебания вдоль оси X по закону x = x0 sin iet. Циклическая частота ш колебаний заряда будет в то же время циклической частотой излучаемой электромагнитной волны. Для скорости и ускорения заряда имеем: v = X = x0ш cos шt и а = v = -x0ш2 sin шt. Как видим, а ~ ш2. Напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля в электро¬магнитной волне пропорциональны ускорению заряда: E ~ а и B ~ а. Стало быть, E ~ ш2 и B ~ ш2. Плотность энергии электромагнитного поля есть сумма плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля: w = wэл + wMarH. Плотность энергии электрического поля, как мы знаем, пропорциональна квадрату напряжённости поля: w^ ~ E2. Аналогично можно показать, что wMarH ~ B2. Следовательно, w^ ~ ш4 и wMarH ~ ш4, так что w ~ ш4. Согласно формуле плотность потока излучения пропорциональна плотности энергии: I ~ w. Поэтому I ~ шА. Мы получили важный результат: интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна четвёртой степени его частоты. Другой важный результат заключается в том, что интенсивность излучения убывает с увеличением расстояния до источника. Это понятно: ведь источник излучает в разных направ¬лениях, и по мере удаления от источника излучённая энергия распределяется по всё большей и большей площади. Количественную зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника легко получить для так называемого точечного источника излучения. Точечный источник излучения — это источник, размерами которого в условиях данной ситуации можно пренебречь. Кроме того, считается, что точечный источник одинаково излучает во всех направлениях. Конечно, точечный источник является идеализацией, но в некоторых задачах эта идеализа¬ция отлично работает. Например, при исследовании излучения звёзд их вполне можно считать точечными источниками — ведь расстояния до звёзд настолько громадны, что их собственные размеры можно не принимать во внимание. На расстоянии r от источника излучённая энергия равномерно распределяется по поверхно¬сти сферы радиуса г. Площадь сферы, напомним, S = 4nr2. Если мощность излучения нашего источника равна P, то за время t через поверхность сферы проходит энергия W = Pt. С помощью формулы получаем тогда: = Pt = P 4 nr2t 4 nr2 Таким образом, интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна расстоянию до него. Виды электромагнитных излучений Спектр электромагнитных волн необычайно широк: длина волны может измеряться тысячами километров, а может быть меньше пикометра. Тем не менее, весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов длин волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения.

Задачи по Электродинамике (ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ), на тему
Электромагнитные волны и скорость их распространения. Энергия электромагнитной волны. Плотность потока излучения. Радиолокация
Из пособия: ГДЗ к задачнику Рымкевич для 10-11 классов по физике, 10-е издание, 2006 г.

Можно ли выбрать такую систему отсчета, в которой индукция магнитного поля электронного пучка была бы равна нулю
РЕШЕНИЕ

Система отсчета (см. условие предыдущей задачи) движется со скоростью, большей скорости движения электронов в пучке. Что можно сказать о направлении линий индукции поля
РЕШЕНИЕ

Можно ли выбрать такую систему отсчета, в которой магнитная индукция поля прямого проводника с током была бы равна нулю? Что можно сказать о направлении линий индукции, если система отсчета движется со скоростью, большей скорости упорядоченного движения электронов в проводнике
РЕШЕНИЕ

Почему при приеме радиопередач на средних и длинных волнах с приближением грозы появляются помехи
РЕШЕНИЕ

Каков период колебаний в открытом колебательном контуре, излучающем радиоволны с длиной волны 300 м
РЕШЕНИЕ

Радиостанция ведет передачу на частоте 75 МГц (УКВ). Найти длину волны
РЕШЕНИЕ

В радиоприемнике один из коротковолновых диапазонов может принимать передачи, длина волны которых 24 26 м. Найти частотный диапазон
РЕШЕНИЕ

Ручной настройкой радиоприемника мы изменяем рабочую площадь пластин воздушного конденсатора переменной емкости в приемном колебательном контуре. Как изменяется рабочая площадь пластин при переходе на прием станции, ведущей передачу на более длинных волнах
РЕШЕНИЕ

Катушка приемного контура радиоприемника имеет индуктивность 1 мкГн. Какова емкость конденсатора, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 м
РЕШЕНИЕ

Радиоприемник настроен на радиостанцию, работающую на длине волны 25 м. Во сколько раз нужно изменить емкость приемного колебательного контура радиоприемника, чтобы настроиться на длину волны 31м
РЕШЕНИЕ

При изменении силы тока в катушке индуктивности на ΔI = 1 А за время Δt = 0,6 с в ней индуцируется ЭДС, равная £ = 0,2 мВ. Какую длину будет иметь радиоволна, излучаемая генератором, колебательный контур которого состоит из этой катушки и конденсатора емкостью C = 14,1 нФ
РЕШЕНИЕ

В каком диапазоне длин волн работает приемник, если емкость конденсатора в его колебательном контуре можно плавно изменять от 200 до 1800 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна 60 мкГн
РЕШЕНИЕ

Сила тока в открытом колебательном контуре изменяется в зависимости от времени по закону: i = 0,1 cos 6 105 t. Найти длину излучаемой волны
РЕШЕНИЕ

Определить длину электромагнитной волны в вакууме, на которую настроен колебательный контур, если максимальный заряд конденсатора 20 нКл, а максимальная сила тока в контуре 1 А
РЕШЕНИЕ

Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 300 м за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 2000 Гц
РЕШЕНИЕ

Наименьшее расстояние от Земли до Сатурна 1,2 км. Через какой минимальный промежуток времени может быть получена ответная информация с космического корабля, находящегося в районе Сатурна, на радиосигнал, посланный с Земли
РЕШЕНИЕ

Ретранслятор телевизионной программы Орбита установлен на спутнике связи Радуга, который движется по круговой орбите на высоте 36000 км над поверхностью Земли, занимая постоянное положение относительно Земли. Сколько времени распространяется сигнал от передающей станции до телевизоров системы Орбита
РЕШЕНИЕ

На каком расстоянии от антенны радиолокатора находится объект, если отраженный от него радиосигнал возвратился обратно через 200 мкс
РЕШЕНИЕ

На расстоянии 300 м от Останкинской телевизионной башни плотность потока излучения максимальна и равна 40 мВт/м2. Какова плотность потока излучения на расстоянии уверенного приема, равном 120 км
РЕШЕНИЕ

Плотность энергии электромагнитной волны равна 4 10-11 Дж/м3. Найти плотность потока излучения
РЕШЕНИЕ

Плотность потока излучения равна 6 мВт/м2. Найти плотность энергии электромагнитной волны
РЕШЕНИЕ

Максимальная напряженность электрического поля электромагнитной волны по санитарным нормам не должна превышать 5 В/м. Найти допустимую плотность потока электромагнитного излучения
РЕШЕНИЕ

Мощность импульса радиолокационной станции 100 кВт. Найти максимальную напряженность электрического поля волны в точке, где площадь поперечного сечения конуса излучения равна 2,3 км2
РЕШЕНИЕ

Каким может быть максимальное число импульсов, посылаемых радиолокатором за 1 с, при разведывании цели, находящейся на расстоянии 30 км от него
РЕШЕНИЕ

Радиолокатор работает на волне 15 см и дает 4000 импульсов в 1 с. Длительность каждого импульса 2 мкс. Сколько колебаний содержится в каждом импульсе и какова глубина разведки локатора
РЕШЕНИЕ

Время горизонтальной развертки электронно-лучевой трубки радиолокатора 2 мс. Найти наибольшую глубину разведки
РЕШЕНИЕ

Радиолокатор работает в импульсном режиме. Частота повторения импульсов равна 1700 Гц, а длительность импульса 0,8 мкс. Найти наибольшую и наименьшую дальность обнаружения цели данным радиолокатором

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-1.jpg" alt="> Плотность потока электромагнитного излучения и свойства электромагнитных волн "> Плотность потока электромагнитного излучения и свойства электромагнитных волн Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Энергетические характеристики излучения играют важную роль, так как определяют воздействия источников излучения на его приемники.

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-2.jpg" alt="> Электромагнитные волны Существование электромагнитных волн "> Электромагнитные волны Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г. : Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-3.jpg" alt="> Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса: Изменяющееся"> Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса: Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Гипотеза Максвелла. Изменяющееся Закон электромагнитной индукции электрическое поле порождает в трактовке Максвелла магнитное поле Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-4.jpg" alt="> I. Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:"> I. Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов: Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны другу и лежат в плоскости, Синусоидальная (гармоническая) перпендикулярной электромагнитная волна. Векторы В, Е, и V взаимно перпендикулярны направлению распространения волны

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-5.jpg" alt="> II Электромагнитные волны распространяются в веществе "> II Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε 0 и μ 0 – электрическая и магнитная постоянные: ε 0 = 8, 85419· 10– 12 Ф/м, μ 0 = 1, 25664· 10– 6 Гн/м. Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f. Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1): Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-6.jpg" alt="> III В электромагнитной волне происходят взаимные"> III В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры» . Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны другу: wэ = wм. Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля В и напряженности электрического поля Е в каждой точке пространства связаны соотношением

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-7.jpg" alt="> IV Электромагнитные "> IV Электромагнитные Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за волны переносят малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная энергию. ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии.

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-8.jpg" alt="> Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию,"> Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади: Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить: Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора I направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ 0. Этот вектор называют вектором Пойнтинга. В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно где E 0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля. Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-9.jpg" alt="> V. Из теории Максвелла"> V. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мк. Па. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-10.jpg" alt=">Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ"> Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением где wэм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы. Для поля в единичном объеме Отсюда следует: Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-11.jpg" alt="> VI. Первое экспериментальное "> VI. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-12.jpg" alt="> VII Электромагнитные волны могут "> VII Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является Элементарный диполь, небольшой по размерам электрический совершающий гармонические диполь, дипольный момент p (t) которого колебания быстро изменяется во времени. Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-13.jpg" alt="> Представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем. "> Представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем. Излучение элементарного диполя Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Src="https://present5.com/presentation/1/173289660_437013824.pdf-img/173289660_437013824.pdf-14.jpg" alt="> ">

Плотностью потока электромагнитного излучения / называют отношение электромагнитной энергии W, проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время t:

Фактически это мощность электромагнитного излучения (энергия в единицу времени), проходящего через единицу площади поверхности. Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей c t (рис. 7.6). Объем цилиндра V=Sc t. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: W = c tS. Вся эта энергия за время t пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому из формулы (7.1) получаем

т. е. плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Найдем зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника. Для этого надо ввести еще одно новое понятие.

Зависимость плотности потока излучения от расстояния до точечного источника. Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4 R 2 . Если считать, что источник по всем направлениям за время t излучает суммарную энергию W, то

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Зависимость плотности потока излучения от частоты. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц (см. § 48). Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению излучающих частиц. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. С учетом формулы (7.2) плотность потока излучения

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты.

ПОЙНТИНГА ВЕКТОР - вектор плотности потока энергии эл--магн. поля (в системе СГС), где Е и Н - напряжённости электрич. и магн. полей. П. в. по модулю равен кол-ву энергии, переносимой через единичную площадь, перпендикулярную к S , в единицу времени. Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты Е и Н непрерывны, вектор S непрерывен на границе двух сред. Плотность кол-ва движения эл--магн. поля определяется вектором S /c 2 . В этом соотношении проявляется материальность эл--магн. поля. П. в. входит в состав тензора плотности энергии-импульса электромагнитного поля . Понятие П. в. было введено в теореме Пой-нтинга через 10 лет после общей формулировки Н. А. Умовым (1874) понятия потока энергии в среде, поэтому П. в. в литературе часто называют вектором Умова - Пойнтинга.

Общим для всех волн (независимо от их природы) является то, что при их распространении осуществляется перенос энергии без переноса вещества.

Энергия, переносимая э/м волной складывается из энергии электрических и магнитных полей.

Объемная плотность w энергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей электриче­ского и магнитного полей: (4.1)

Учитывая выражение (3.5), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент вре­мени одинакова, т.е. = . Поэтому (4.2)

Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде, получим модуль плотности потока энергии: (4.3)

Так как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора[ЕН] совпадает с направлением переноса энер­гии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнит­ной энергии называетсявектором Умова- Пойнтинга: S=. (4.4)

Вектор S направлен в сторону рас­пространения э/м волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу вре­мени через единичную площадку, перпен­дикулярную направлению распростране­ния волны.

Интенсивность связана с вектором Пойнтинга соотношением:

Главная » Грамматика » От чего зависит плотность потока электромагнитного излучения. Большая энциклопедия нефти и газа