Объяснение рассеяния электромагнитных волн теорией Максвелла
Краткая история исследования электромагнитных волн и обзор теоретических подходов их определения. Раскрытие содержания понятия волны, процесс образования электромагнитной волны и гипотеза Максвелла. Общие принципы радиосвязи и устройство радиоприемника.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.05.2011 |
| Размер файла | 118,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
4
КУРСОВАЯ РАБОТА
по физике
на тему: “Объяснение рассеяния электромагнитных волн теорией Максвелла”
2009г
Оглавление
Введение
Основная часть
I. Теоретические подходы к определению электромагнитных волн
1) Джеймс Клерк Максвелл
а) Понятие волны
б) Гипотеза Максвелла. Процесс образования электромагнитной волны
2) Опыт Герца
а) почему обычный колебательный контур нельзя использовать для излучения электромагнитных волн
б) Вибратор Герца
в) Скорость волны
3) Изобретение радио Поповым
а) Устройство радиоприёмника
б) История изобретения
4) Принципы радиосвязи
5) Модуляция. Устройство простейшего детекторного приёмника Детектирование. Простейший радиоприёмник с УВЧ и УНЧ
II. Объяснение рассеяния электромагнитных волн теорией Максвелла
1) Постановка задачи рассеяния электромагнитной волны в неоднородной среде
2) Решение уравнений Максвелла для рассеяния
3) Расчёт энергии рассеиваемой шариком
4) Расчёт интенсивности падающей волны
5) Физический комментарий к явлению
Заключение
Список использованной литературы
Введение
В данной работе рассматривается тема «Электромагнитные волны». Раскрывается история исследования электромагнитных волн, процесс формирования волны, опыты по ее исследованию, широко описывается теория электромагнитных полей, а также описываются принципы радиосвязи, а также устройство радиоприемника. С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию.
Соответствующий расчет даёт, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому перераспределения света по направлениям, т. е. рассеяния света, не происходит.
Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направлениях только при распространении света в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям.
Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.
Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу относятся:
· дымы, т. е. взвеси в газах мельчайших твердых частиц;
· туманы - взвеси в газах мельчайших капелек жидкости;
· взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками;
· эмульсии, т. е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (примером эмульсии может служить молоко, представляющее собой взвесь капелек жира в воде);
· твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т. п.
Свет, рассеянный на частицах, размеры которых значительно меньше длины световой волны, оказывается частично поляризованным. Это объясняется тем, что колебания электронов, вызванные рассеиваемым световым пучком, происходят в плоскости, перпендикулярной к пучку. Колебания вектора во вторичной волне происходят в плоскости, проходящей через направление колебаний зарядов. Поэтому свет (электромагнитная волна), рассеиваемый частицами в направлениях, перпендикулярных пучку, будет полностью поляризован. В направлениях, образующих с пучком угол, отличный от прямого, рассеянный свет поляризован только частично.
В данной курсовой работе рассматривается задача рассеяния плоской волны параллелепипедом из диэлектрика с потерями, причём считается, что размеры параллелепипеда сравнительно больше по отношению к длине волны. При исследовании используется метод Виннера-Хопфа. А именно, посредством обобщения решения задачи для полубесконечного тела, полученного в работе Джоунса, попытаемся распространить результаты для полубесконечных пластин из диэлектрика с большим потерями так же, как было получено решение для параллелепипеда из проводника. Само собой разумеется, что полученные результаты совпадают с решением для случая идеального проводника, если считать удельную электрическую проводимость бесконечно большой. В качестве характерной особенности предлагаемого метода, по-видимому, можно указать на то, что этот метод, так же как и метод в случае параллелепипеда из проводника, оказывается чрезвычайно эффективным в применении к телам с поперечным сечением в виде продолговатого прямоугольника, большая сторона которого сравнительно велика по отношению к длине волны. Конечно, в случае больших размеров тел приближение геометрической оптики и приближение физической оптики могут практически применяться в качестве наиболее простых методов, однако, для того, чтобы знать в каком диапазоне размеров эти приближения являются верными, необходимо выполнить расчёты.
рассеяние электромагнитная волна радиосвязь максвелл
Основная часть
I.Теоретические подходы к определению электромагнитных волн
Джеймс Клерк (1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввёл понятия о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, назвав его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла - Кремоны), термодинамике, истории, физике и др.
Перед тем как перейти к гипотезе Максвелла надо ознакомиться с понятием волны. Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Важнейшей характеристикой волны является её скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно.
Волны бывают двух видов: поперечные и продольные. Поперечными называют волны, распространяющиеся в перпендикулярном направлении распространению волны. Продольными волнами называют волны, распространяющиеся вдоль направлению распространению волны.
Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в перемещении энергии без переноса вещества
Длинной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющихся в одинаковых фазах. Волны разной длинны, используются в разных отраслях человеческой деятельности. ДВ - длинные волны (их длинна может достигать километра); СВ - средние волны ; КВ - короткие волны ; УКВ - ультра короткие волны.
Различные виды механических волн, как поперечные, так и продольные могут распространяться только в непрерывной среде, в твёрдых телах, жидкостях и газах.
В вакууме механические волны распространятся, не могут.
Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству и магнетизму в 1864г. Высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространятся в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.
Для выдвижения гипотезы о возможности возникновения электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. Открытие индукционного тока Фарадеем. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предложил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле.
Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжатся и захватывать всё новые и новые области в окружающем пространстве.
Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна.
Электромагнитные волны могут существовать и распространятся в вакууме.
Условие возникновения электромагнитных волн.
Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.
Изменения электромагнитного поля происходят при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике изменяется при изменении скорости движения электрических зарядов в нём, т.е. при движении зарядов с ускорением.
Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электромагнитных зарядов.
Генрих Рудольф Герц (1857 - 1894), немецкий физик. Экспериментально доказал (1886 - 1889) существование электромагнитных волн (используя вибратор Герца). Придал уравнениям Максвелла симметричную форму. Экспериментально подтвердил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Открыл внешний фотоэффект (1887).
+
I
-
Электромагнитные волны были впервые экспериментально получены Герцем в 1887г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждались в двух металлических стержнях с шарами на концах (вибратор Герца). Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласовано. В электромагнитной волне векторы Е и В перпендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходят.
В обычном колебательном контуре (его можно назвать закрытым), почти всё 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 Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому колебательному контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке.
В конце концов, получится прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.
В опытах Герца длинна волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле. Она оказалась приближенно равна скорости света: с 300000 км/с. Опыт Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.
В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов была впервые продемонстрирована 7 мая 1895 года. Этот день считается днём рождения радио.
Приёмник Попова состоял из
1 - антенны, 2 - когерера, 3 - электромагнитного реле, 4 - электрического звонка, 5 - источника постоянного тока. Электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения в антенне. Переменное напряжение с антенны подавалось на два электрода, которые были расположены в стеклянной трубке, заполненной металлическими опилками.
Эта трубка и есть когерер. Последовательно с когерером включались реле и источник постоянного тока.
Из-за плохих контактов между опилками сопротивление когерера обычно велико, поэтому электрический ток в цепи мал и реле звонка не замыкает. Под действием переменного напряжения высокой частоты в когерере возникают электрические разряды между отдельными опилками, частицы опилок спекаются и его сопротивление уменьшается в 100 - 200 раз. Сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает, и реле включает электрический звонок. Так регистрируется приём электромагнитной волны антенной.
Удар молоточка звонка встряхивает опилки и возвращает его в исходное состояние, приёмник снова готов к регистрации электромагнитной волны антенной.
Современные радиоприёмники совсем непохожи на своего прародителя, но принцип действия остался тот же, что и в приёмники Попова. Современный приёмник так - же имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые магнитные колебания. Как и в приёмнике Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.
В1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов с помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе. При участии Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
За границей усовершенствованием подобных приборов занималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через атлантический океан. Важнейшим этапом развития радиосвязи было создание в 1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможной надёжная и высококачественная радиотелефонная связь - передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим.
Дело в том что, колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются.
Для передачи этих волн на большие расстояния их необходимо преобразовать в колебания высокой частоты, но так чтобы не испортить информацию которую они несут. Процесс преобразования электромагнитных колебаний низкой частоты в колебания высокой частоты называется модуляцией. Для преобразования звуковых волн используется амплитудная модуляция.
В процессе модуляции происходит наложение амплитуды низкочастотных сигналов на высокочастотный сигнал. Модуляция - медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда измениться заметным образом.
Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.
Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебаний высокой частоты в электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора.
На вторую катушку трансформатора подаётся переменное напряжение звуковой частоты, например, с выхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во второй катушке трансформатора вызывает появление напряжения на концах первой катушке трансформатора.
Переменное напряжение звуковой частоты складывается с постоянным напряжением источника тока; изменения напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводят к изменениям со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора. Такие колебания высокой частоты называются амплитудно-модулированными.
С колебательным контуром генератора индуктивно связана антенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой частоты, происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.
Электромагнитные волны, излучённые антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике.
Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электрического тока, пропорционально длине проводника.
Поэтому для приёма электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприёмнике применяется длинный провод - приёмная антенна (1). Для того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур (2) с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в контуре приёмника производится обычно изменением электроёмкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний, возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужной частоты.
С колебательного контура приёмника модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор (3). В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлени. В течении каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор (4), вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор (5). Если значения электроёмкости конденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, то через резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковой частотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике. Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подаётся на телефон (6).
Детекторный радиоприёмник весьма несовершенен. Он обладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи только от мощных радиостанций или от близкорасположенных радиопередатчиков.
Для повышения чувствительности в современных радиоприёмниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрические колебания поступают на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала на выходе радиоприёмника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектор поступают на вход усилителя низкой частоты.
Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подаётся на динамик.
Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.
II. Объяснение рассеяния электромагнитных волн теорией Максвелла
Постановка задачи рассеяния электромагнитной волны в неоднородной среде. Для простоты исследования представим идеальную классическую модель рассеяния света в неоднородной (мутной) и изотропной среде. Пусть фронт проходящей через среду волны будет плоскостью (плоская волна), а рассеяние происходит на инородных частицах, т.е. тиндалевское рассеяние (эффект Тиндаля). Для простоты вычислений возьмём двумерный случай. Если в прозрачной однородной среде бегущая волна распространяется лишь в прямом направлении, не испытывая рассеяния, то в нашем случае оптическая однородность среды будет нарушена множеством мелких частичек или постороннего вещества, или флуктуаций плотности того же вещества - в любом эти неоднородности хаотично распределены в объёме среды.
При любых неоднородностях показатель преломления будет меняться нерегулярно, однако его усреднённое значение в достаточно малом объёме будет постоянным.
Порядок малости объёма выбирается таким, чтобы средний показатель преломления практически не отличался по сравнению с любым другим таким же объёмчикам среды.
Учитывая формулу для показателя преломления мы пренебрегаем сомножителем µ, т.к. в большинстве диэлектриков , поэтому показатель преломления .
В случае однородной среды показатель преломления n не меняется и остаётся постоянным, однако в неоднородной среде из-за примесей он будет не менять своё значение.
Как видно эта изменчивость вызвана непостоянством коэффициентом диэлектрической проницаемости е, который является функцией координат .
На основании вышесказанного мы можем предположить, что диэлектрическая проницаемость складывается из двух проницаемостей одна из которых для однородной среды (без примесей) , вторая для инородных частичек (примеси, флуктуации) . Т.е. мы полагаем:
(1)
Кроме того, мы рассмотрим вектор напряжённости электрического поля и магнитного поля - составляющих электромагнитной волны в среде, как суперпозицию двух волн, опираясь на физический смысл явления, подробнее об этом см. [3], §5.
(2)
где - компоненты электромагнитной волны в однородной среде; - компоненты волн на неоднородностях. В прочем этих условий должно хватить для решения уравнений Максвелла для рассеяния волн.
Решение уравнений Максвелла для рассеяния.
Запишем четыре уравнения Максвелла для электромагнитных волн в дифференциальной форме:
(3)
Учитывая, что , для изотропной среды, то перепишем третье уравнение
(4)
Запишем уравнения Максвелла удовлетворяющих однородной среде
(5)
Воспользуемся (2) из условия и перепишем эти уравнения с оператором ротора.
(6)
Компоненты электромагнитной волны однородной среды нам известны, куда больший интерес представляют компоненты волны частицы неоднородности. Проведём некоторые выкладки и посмотрим что получиться.
(7)
Найдём первые два уравнения Максвелла для частиц неоднородности. Для этого в выражении (7) правую часть заменим из уравнений (3), (4), (5):
(8)
Теперь применим соотношения (1), (2) из условия
(9)
Таким образом, мы получили первые два уравнения для рассеянной волны. Теперь получим оставшиеся два уравнения Максвелла.
Соотношения (2) можно представить в виде дивергенции.
Поскольку каждая из компонент равна нулю мы можем превратить левые части ноль, а для наглядности приведём правую часть в более наглядный вид, для чего избавимся от .
Снова используем (2) и получаем четвёртое уравнение для волны от неоднородности среде:
Чтобы получить последнее третье уравнение воспользуемся (1) и упростим:
Выпишем все четыре уравнения Максвелла для электромагнитной волны от неоднородности.
(10)
Таким образом, для поля получились такие же уравнения Максвелла, как и в однородной среде с диэлектрической проницаемостью . Только первые два уравнения из (10) содержат правые части, которые можно рассматривать как дополнительные источники электромагнитных волн.
Введём обозначение
(11)
Теперь подставим это в уравнение (10):
(12)
Делаем предположение, что введённое нами обозначение ни что иное, как поляризованность. Давайте проверим это. Распишем сначала напряжённость как
.
В свою очередь q - заряд мы можем выразить из дипольного момента p=ql, т.е.
.
Если вести расчёты в скалярной форме, то вместо l мы можем подставилять r - смысл от этого не меняется. И что получаем
.
Т.е. выражение (11) пропорционально отношению диполя к кубу расстояния. Проверяя по размерности это совпадает с поляризованостью
.
Таким образом каждый малый объём dV получает дополнительный дипольный момент p. Меняясь во времени (см. (12)), он излучает электромагнитные волны, как колеблющийся диполь Герца. Примером рассматриваемого излучения может быть свет, рассеянный элементарным объёмом dV. Расчёт энергии рассеиваемой шариком
Допустим теперь, что оптическая неоднородность создается одинаковыми шариками радиуса а, беспорядочно распределенными по объему, занятому средой. Пусть среднее расстояние между шариками велико по сравнению с а, а сами шарики малы по сравнению с длиной волны. Тогда при вычислении электрического поля внутри шарика можно считать внешнее поле световой волны однородным. Как показано в электростатике (см. т. [3], §16).
,(13)
где е - диэлектрическая проницаемость шарика, а - окружающей среды. Дополнительная поляризация, согласно формуле (11), будет отлична от нуля только внутри шариков, где она равна
(14)
а дополнительный дипольный момент шарика
(15)
Предположим, что падающая волна поляризована линейно. Тогда векторы и всё время будут параллельны одному и тому же немзменному направлению.
Электрическое поле диполя на больших расстояниях r от него (в волновой зоне) определяется выражением
,(16)
Где - скорость света в рассматриваемой среде, а - угол между осью диполя и направлением рассеянного излучения (см. [3], §141). Рассеянный свет поляризован линейно, причём электрический вектор лежит в плоскости, проходящей через ось диполя и направление излучения.
Под интенсивностью света здесь и в дальнейшем будем понимать усредненное по времени численное значение вектора Пойнтинга. Для интенсивности света, рассеянного одним шариком, электродинамика даёт
(17)
Интенсивность прямой волны равна
(18)
Воспользовавшись выражением (15), получим
,(19)
или
,(20)
где л - длина волны в вакууме, а - объём шарика.
Энергия , рассеиваемая шариком в единицу времени по всем направлениям, найдётся интегрированием величины (20) по сфере радиуса r. Взяв в качестве элемента поверхности , получим
(21)
Расчёт интенсивности падающей волны
Рассчитаем убывание интенсивности падающей волны вследствие рассеяния. Выделим в среде произвольный цилиндр, площадь поперечного сечения которого равна единице, а образующие параллельны оси Z (см. рисунок 1).
Вырежем из него бесконечно короткий цилиндрик, ограниченный плоскостями z=const z+dz=const. Через первое основание такого цилиндрика ежесекундно вступает энергия , а через второе выходит . Разность этих энергий - есть рассеянная энергия . Приравнивая оба выражения, получим
,(22)
где в соответствии с формулой (21)
(23)
В формуле (22) избавимся от дифференциалов, для чего преобразуем в дифференциальное уравнение с разделёнными переменными
Проинтегрируем обе части
получим . Переносим в правую часть, а также убираем знак модуля, т.к. положительная величина.
,
Потенцируем и получаем
или
(24)
Таким образом, из-за рассеяния интенсивность падающей волны убывает экспоненциально. Величина г - называется коэффициентом рассеяния.
Физический комментарий явления
Согласно формуле (21), впервые полученной Рэлеем, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвёртой степени, длины волны. Этот результат называется законом Рэлея. Он справедлив для рассеивающих частиц, линейные размеры которых малы по сравнению с длиной волны.
Закон Рэлея качественно подтверждается уже ранними исследованиями Тиндаля, который наблюдал, что белый свет при рассеянии становится синеватым. На основе этих наблюдений Тиндаль высказал мысль, что синий цвет и поляризация неба определяются рассеянием солнечного света на мелких частицах пыли, всегда имеющихся в достаточном количестве в земной атмосфере.
Количественная теория была развита Рэлеем. Если бы рассеяния света не было, то небо было бы совершенно черным. На этом черном фоне звезды и другие небесные светила выделялись бы более ярко и контрастно. Именно таким видят небо космонавты из космических кораблей. При наличии же атмосферы значительная доля прямого солнечного излучения рассеивается в стороны. Она тем больше, чем короче длина волны. Поэтому рассеянный свет обогащен короткими волнами, чем и объясняется синий цвет неба. При восходе и заходе Солнца прямой солнечный свет проходит через большую толщу атмосферы, и при этом большая часть коротковолнового излучения теряется на рассеяние. Из прямого света до поверхности Земли доходят преимущественно красные лучи. Вот почему при восходе и заходе Солнце красное. Так же объясняется красный цвет зари.
По мере поднятия над земной поверхностью содержание пыли и других посторонних частиц в воздухе уменьшается. Казалось бы, что при этом насыщенность рассеянного света синими лучами должна также уменьшаться. Однако наблюдения в высокогорных обсерваториях показали, что дело обстоит как раз наоборот. Чем чище воздух, чем меньше в нем содержится посторонних частиц, тем насыщеннее излучение неба синими лучами и тем полнее его поляризация. На этом основании Рэлей пришел к заключению, подтвержденному всеми последующими экспериментальными и теоретическими исследованиями, что здесь рассеяние вызывается не посторонними частицами, а самими молекулами воздуха. Такое рассеяние света называется рэлеевским или молекулярным рассеянием.
Заключение
Приведённая формулировка задачи рассеяния плоской электромагнитной волны (Е-волны) является классической задачей теории электромагнитных волн. Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что электромагнитная теория Максвелла объясняет это явление. На примере простейшей модели удалось получить основные законы: энергии-, интенсивности-, поляризованности рассеяния. Однако, разумеется, в реальной среде помимо рассеяния происходит дифракция, поглощение, дисперсия, которые тоже следует учитывать, при этом сложность расчётов резко возрастает по сравнению с простой моделью.
Использованная литература
1. Матвеев А. Н. “Электродинамика”: Учебное пособие. - 2'е изд., перераб. И доп. - М.: «Высшая школа», 1980г. - 383с.
2. Cивухин Д.В. “Общий курс физики. Оптика”, М., «Наука»,1985г.
3. Савельев И.В. “Курс общей физики: Электричество и магнетизм”, т. 2, М., «Наука», 1982г. - 496с.
4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. “Фейнмановские лекции по физике: электродинамика” т. 2, М.: Издательство «Мир», 1972г. - 350с.
5.. С.А. Башарин «Теоретические основы электротехники. Теория электрических цепей и электромагнитного поля. Учебное пособие для ВУЗов» 2004г
6. Курс физики: В 3 книгах. Книга 2: Физические основы электромагнитных явлений под ред. Бордовского Г.А., 2004г
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.
реферат [578,5 K], добавлен 10.07.2011Предсказание Максвелла Дж.К. - английского физика, создателя классической электродинамики о существовании электромагнитных волн. Их экспериментальное получение немецким ученым Г. Герцем. Изобретение радио А.С. Поповым, основные принципы его действия.
реферат [13,5 K], добавлен 30.03.2011Линейная, круговая и эллиптическая поляризация плоских электромагнитных волн. Отражение и преломление волны на плоской поверхности. Нормальное падение плоской волны на границу раздела диэлектрик-проводник. Глубина проникновения электромагнитной волны.
презентация [1,1 M], добавлен 29.10.2013Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.
реферат [776,4 K], добавлен 25.02.2009Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Исследования Р. Герца. Скорость распространения электромагнитных волн. Открытие фотоэлектрического эффекта. Расчет давления света. Энергия, импульс и масса ЭМП. Вектор Умова-Пойнтинга.
презентация [2,7 M], добавлен 14.03.2016Эволюция электромагнитных волн в расширяющейся Вселенной. Параметры поляризационной сферы Пуанкаре. Электромагнитное излучение поля с LV нарушением, принимаемое от оптического послесвечения GRB. Вектор Стокса электромагнитной волны с LV нарушением.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.08.2015Излучение электромагнитных волн. Характеристика электродинамических потенциалов. Понятие и особенности работы элементарного электрического излучателя. Поля излучателя в ближней и дальней зонах. Расчет резонансной частоты колебания. Уравнения Максвелла.
контрольная работа [509,3 K], добавлен 09.11.2010Экспериментальное получение электромагнитных волн. Плоская электромагнитная волна. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Получение модуля вектора плотности потока энергии. Вычисление давления электромагнитных волн и уяснение его происхождения.
реферат [28,2 K], добавлен 08.04.2013Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга, свойства. Импульс, давление электромагнитного поля. Излучение света возбужденным атомом. Задача на определение тангенциальной силы, действующей на единицу поверхности зеркала со стороны падающего излучения.
контрольная работа [116,0 K], добавлен 20.03.2016Монохроматическая электромагнитная волна, напряженность электрического поля которой меняется по физическому закону. Рассеяние линейно поляризованной волны гармоническим осциллятором. Уравнение движения заряженной частицы в поле электромагнитной волны.
контрольная работа [111,7 K], добавлен 14.09.2015
