Физика Что такое электромагнитная волна
Материалы к уроку
Конспект урока
Многие закономерности волновых процессов имеют универсальный характер и в равной мере справедливы для волн различной природы: механических волн в упругой среде, волн на поверхности воды, в натянутой струне и т. д. Не являются исключением и электромагнитные волны, представляющие собой процесс распространения колебаний электромагнитного поля. Но в отличие от других видов волн, распространение которых происходит в какой-то материальной среде, электромагнитные волны могут распространяться в пустоте: никакой материальной среды для распространения электрического и магнитного полей не требуется. Однако электромагнитные волны могут существовать не только в вакууме, но и в веществе.Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом в результате анализа предложенной им системы уравнений, описывающих электромагнитное поле.
Максвелл показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, в которых векторы электрического и магнитного полей в каждый момент времени в каждой точке пространства перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волн. Экспериментально электромагнитные волны были открыты и изучены Герцем уже после смерти Максвелла. Именно Герцу первому удалось создать такую установку по излучению и по приему электромагнитной волны. Для излучения электромагнитной волны требуется достаточно быстро движущийся электрический заряд. Следует создать такое устройство, где будет очень быстро движущийся или ускоренно движущийся электрический заряд.
Е и В — силовые характеристики электромагнитного поля. Единица электрической напряженности:
Е [Н/Кл]. Единица магнитной индукции: В [Тл] (Тесла).
Как же передается электрическое взаимодействие? Если поместить два заряженных тела, которые имеют электрический заряд q1 и q2, на небольшое расстояние друг от друга, а затем один из них привести в движение, то действие передается мгновенно на другое. Приложим некоторую силу для перемещения заряженного тела с зарядом q1 относительно заряженного тела с зарядом q2. Заметим, что действие заряженного тела с зарядом q1 мгновенно передается на заряженное тело с зарядом q2. Перемещение заряженного тела с зарядом q1 практически мгновенно изменяет поле вокруг него. Как следствие, переменное электрическое поле заряженного тела с зарядом q1 порождает переменное магнитное поле в областях пространства вокруг него. А переменное во времени магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное во времени электрическое поле и т.
Интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд. Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля, подобно развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле «отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов Е и В. Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью с вдоль направления распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в любой области пространства меняется периодически со временем. Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.
Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать репетитораОставить заявку на подбор
Как возникают электромагнитные волны / Хабр
Bremsstrahlung («тормозное излучение») — ударная волна света, которая генерируется, когда заряженные частицы «застревают» в твердом теле (классический процесс генерации излучения в рентгеновских вакуумных трубках).
Для многих вполне естественно ассоциировать электрическое и магнитное поля с векторами и силовыми линиями. Но как этими математическими объектами описать волны? Когда они возникают? Ответы на эти вопросы можно получить с помощью школьных формул с щепоткой специальной теории относительности.
По старой традиции, начинаем плясать от печки.
Пусть имеются две заряженные параллельные пластины. Электрическое поле между ними равномерно, и равно нулю снаружи (пренебрегаем краевыми эффектами). Также мы сажаем на систему неподвижную гауссову поверхность — это абстрактная рамка, через которую вычисляется поток векторного поля. Каково электрическое поле нашего конденсатора в системе отсчета, где он находится в движении?
Начнем со случая, где движение происходит в направлении, параллельном пластинам. Они начинают претерпевать лоренцево сокращение, при этом расстояние между ними не меняется, и общий заряд на каждой пластине сохраняется. Далее предполагаем, что читатель провел достаточное количество бессонных ночей разбираясь с парадоксами специальной теории относительности (Чтобы освежевать память, предлагаю просмотреть ламповый советский видеоролик). Таким образом, рамка фиксирует что заряд на единицу площади увеличивается в , а поле также возрастает на этот Лоренц-фактор.
Разберем детальней. Гауссова рамка оседлала положительно-заряженную пластину, причем одна грань снаружи, а другая — внутри области ненулевого электрического поля.
Применяя закон Гаусса можно показать, что величина электрического поля между пластинами равна
где штрих обозначает величину, измеренную в рамке в которой пластины движутся, а сигма — поверхностная плотность заряда пластины. Поскольку пластины сокращаются по длине, поверхностная плотность заряда отличается от оной для неподвижных пластин вот так
Поглядывая на первую формулу заключаем, что величина поля тоже претерпевает действие лоренцева множителя. То есть, электрическое поле в загрунтованной рамке сильнее, чем в той, что будет двигаться вместе с пластинами.
А как будет выглядеть ситуация, если движение происходит в направлении, перпендикулярном пластинам, то есть параллельно полю Е? В этом случае сокращение длины не влияет на размер пластин, хотя и уменьшает расстояние между ними. Но расстояние между парой близко расположенных, равномерно заряженных пластин не влияет на напряженность поля между ними.
Тогда рассмотрим самый общий случай, когда движение происходит в некотором диагональном направлении относительно поля.
В этом случае мы можем рассматривать поле как суперпозицию поля параллельного и поля перпендикулярного движению. Каждое из них как бы порождается своим набором соответствующим образом ориентированных пластин. Затем одна пара пластин сжимается по длине, как описано выше, и вносит вклад в общее поле:
Важно помнить, что такого рода телодвижения применимы только в том случае, если источник поля с точки зрения незакрепленной рамки будет находиться в состоянии покоя. Поскольку всегда существует некоторая система отсчета, в которой любой конкретный источник находится в состоянии покоя, этих уравнений достаточно для решения широкого круга задач. Заметим, что закон преобразования для вектора электрического поля сильно отличается от закона преобразования для обычных векторов перемещения (которые сжимаются в направлении вдоль движения и неизменны в перпендикулярных направлениях).
Равномерное движение точечного заряда
Следующим шагом будет рассмотрение поля единичного точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью.
В своей системе покоя электрическое поле положительного точечного заряда имеет одинаковую силу во всех направлениях. Как выглядит это поле в какой-то другой системе отсчета? Применяя наш подход к неоднородному электрическому полю, мы должны быть очень осторожны, так как придется следить не только за величиной поля, но и за тем, где оно имеет эту величину. Поэтому представим себе, что наш точечный заряд окружен сферической оболочкой. В нашей системе отсчета и частица, и ее сфера движутся.
Таким образом, сокращение длины говорит о том, что сфера сплющивается в сфероид, как показано в поперечном сечении на рисунке:
(a) Точечный заряд в состоянии покоя, окруженный воображаемой сферой. Электрическое поле в любой точке сферы направлено прямо в сторону от заряда. (b) В системе отсчета, где заряд и сфера движутся вправо, сфера сжимается по длине, но вертикальная составляющая поля становится сильнее. Эти два эффекта объединяются, чтобы заставить поле снова указывать прямо от текущего местоположения заряда.
Теперь рассмотрим величину электрического поля в некой точке поверхности сферы. Ее координата имеет х и у компоненты. Вектор поля идущий от заряда через эту некую точку также вполне представим как пара компонент, причем справедливо соотношение:
В нашей системе отсчета, где заряд движется, длина x в направлении движения уменьшается:
(в то время как y-составляющая смещения одинакова в обоих случаях). Однако, согласно результатам предыдущего раздела, y-составляющая поля усиливается аналогичным множителем:
(в то время как х-компонента поля одинакова на обеих картинках). Таким образом, соотношение компонентов поля
Другими словами, поле в фиксированной рамке указывает прямо на заряд, как и в движущейся. Накидаем схематически электрическое поле точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью:
Электрическое поле точечного заряда движущегося вправо с постоянной скоростью, равной 4/5 скорости света.
Чем быстрее движется заряд, тем заметнее становится усиление перпендикулярной составляющей поля. Если скорость заряда намного меньше скорости света, то это усиление часто пренебрежимо мало.
Поле ускоряющегося заряда
Итак, когда точечный заряд движется с постоянной скоростью, его электрическое поле всегда направлено прямо от него, радиально. В свете специальной теории относительности это может показаться странным, поскольку никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Почему же тогда поле в каком-то отдаленном месте указывает прямо на то место, где заряд находится сейчас, а не на то, где он был некоторое время назад? Означает ли это, что информация о движении заряда мгновенно распространяется по всей Вселенной? Ну, не обязательно.
Видите ли, частица уже некоторое время движется с постоянной скоростью по предсказуемому курсу. Поэтому, если вы находитесь в далеком месте, вы могли бы организоваться так, чтобы частица посылала вам информацию о своем положении и скорости, а вы, получив эту информацию, экстраполировали бы движение чтобы выяснить, где частица должна находиться.
Однако ваша схема предсказания положения частицы будет разрушена, если частица претерпит некоторое ускорение между тем моментом, когда она послала вам информацию, и настоящим.
Вы могли бы подумать, что частица продолжает двигаться с постоянной скоростью, и поле в вашем местоположении указывало бы в сторону того места, где частица была бы сейчас, если бы не было факта ускорения. Но на самом деле частицы там нет.
Например, предположим, что частица сначала движется вправо со скоростью 1/4 скорости света, а затем внезапно отскакивает от стены и с той же скоростью летит обратно. Через одну секунду новость об отскоке не могла пройти дальше одной световой секунды (300 000 км). Если вы находитесь ближе, чем на одну световую секунду к месту отскока, то вы уже получили известие, и поле в вашем местоположении указывает туда, где сейчас находится частица. Но если вы находитесь дальше, чем на одну световую секунду от места отскока, то новость еще не дошла до вас, и поле в вашем местоположении указывает туда, где частица была бы сейчас, если бы не было отскока.
Положительно заряженная частица, первоначально движущаяся вправо со скоростью 1/4 скорости света, отскакивает от стены в точке В. Частица сейчас находится в точке А, но если бы не было отскока, она была бы сейчас в точке С. Окружность (фактически поперечное сечение сферы) охватывает область пространства, в которую уже поступила новость об отскоке; внутри этой окружности (как в точке D) электрическое поле указывает прямо на точку A. Вне окружности (как в точке E) новость еще не поступила, поэтому поле указывает прямо на точку C. Со временем круг расширяется наружу со скоростью света, а точки А и С удаляются от точки В со скоростью 1/4 скорости света.
Из специальной теории относительности мы знаем, что никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Предположим наилучший возможный случай: информация распространяется точно со скоростью света, но не быстрее. Этого предположения вместе с законом Гаусса достаточно, чтобы определить электрическое поле повсюду вокруг ускоренного заряда.
Полная карта электрического поля ускоренного заряда оказывается довольно сложной. Вместо того чтобы представлять поле в виде пучка стрелок, гораздо удобнее использовать более абстрактное представление в виде линий поля. Силовые линии — это непрерывные линии в пространстве, идущие параллельно направлению электрического поля. Таким образом, рисунок силовых линий в некой области немедленно сообщает нам направление электрического поля, хоть определить его величину и не так просто.
Так будет выглядеть карта полевых линий для нашей ситуации
Линии поля через серую сферическую оболочку опускаем, так как эта область как раз в разгаре получения новостей об ускорении частицы. Чтобы определять направление поля здесь, представьте, что гауссовская рамка изогнута (на рисунке обозначена пунктирной линией, которая оседлает серую оболочку. Эта поверхность должна быть симметричной относительно линии, по которой движется частица; если смотреть вдоль этой линии, рамка будет круглой).
Гауссова поверхность не содержит электрического заряда, поэтому закон Гаусса говорит нам, что полный поток E через нее должен быть равен нулю.
Теперь рассмотрим поток, проходящий через различные части поверхности. На внешней (правой) части есть положительный поток, в то время как на внутренней (левой) части есть отрицательный поток. Но эти два вклада в поток не отменяют друг друга, так как поле значительно сильнее снаружи, чем внутри. Это происходит потому, что поле снаружи — это поле точечного заряда, расположенного в точке С, в то время как поле внутри — это поле точечного заряда, расположенного в точке А, и С значительно ближе, чем А. Таким образом, общий поток через внутреннюю и внешнюю части поверхности является положительным. Чтобы отменить этот положительный поток, остальные края рамки должны пропускать отрицательный поток.
Таким образом, электрическое поле внутри серой оболочки должно иметь ненулевую составляющую вдоль оболочки, по направлению к центру гауссовой поверхности. Будем называть эту составляющую поперечным полем, поскольку она указывает в поперечном (то есть перпендикулярном) чисто радиальном направлении поля с обеих сторон.
Чтобы быть более точными относительно направления поля внутри серой оболочки, рассмотрим модифицированную гауссову поверхность
Ужимаем внешнюю поверхность ef до тех пор, пока она не уменьшится до того же угла относительно точки С, что и внутренняя поверхность ab, если смотреть с точки A. Теперь потоки через ab и ef действительно взаимокомпенсируются. Отрезки bc и de выбраны так, чтобы они были точно параллельны линиям поля в их местоположении, поэтому поток через эти участки поверхности отсутствует.
И тогда, для того, чтобы общий поток был равен нулю, он должен быть нулевым и через сегмент cd. Это означает, что электрическое поле внутри серой оболочки должно быть параллельно cd. Если стартануть с точки А и пойти по любой линии поля наружу, то придется навернуть резкий угол на внутреннем краю серой оболочки, а затем пройти вдоль оболочки и медленно выйти наружу, сделав еще один резкий поворот на внешнем краю.
(Толщина серой оболочки определяется длительностью ускорения заряда.)
И вот выходит итоговая иллюстрация силовых линий. Поперечная часть электрического поля ускоренного заряда также называется полем излучения, поскольку со временем она «излучается» наружу в сферу, расширяющуюся со скоростью света. Если ускорение заряженной частицы достаточно велико, то поле излучения может быть достаточно сильным, воздействуя на далекие заряды гораздо сильнее, чем обычное радиальное поле заряда, движущегося с постоянной скоростью. Поле излучения может также накапливать относительно большое количество энергии, которая уносится от создавшего ее заряда.
Сила поля излучения
Чтобы превратить качественные идеи предыдущего раздела в количественные формулы,
рассмотрим несколько более простую ситуацию, в которой положительно заряженная частица вначале летит вправо, а потом внезапно останавливается. Пусть v₀ — начальная скорость, и пусть замедление начинается в момент времени t = 0 и заканчивается в момент времени t = t₀.
Предположим, что ускорение является постоянным в течение этого временного интервала:
Также положим, что v₀ намного меньше скорости света, так что релятивистское сжатие и растяжение электрического поля, обсуждаемые ранее, пренебрежимо малы. Покажем ситуацию в некоторый момент времени T, значительно более поздний, чем t₀. «Импульс» излучения содержится в сферической оболочке толщиной ct₀ и радиусом cT. Вне этой оболочки электрическое поле указывает в сторону от того места, где была бы частица, если бы она продолжала двигаться; эта точка находится на расстоянии v₀T справа от ее фактического местоположения. (Расстояние, пройденное во время торможения ничтожно мало в этом масштабе.) На рисунке для ясности показана только одна полевая линия, выходящая под углом θ от направления движения частицы. В этой линии есть резкий изгиб, когда она проходит через оболочку, как обсуждалось выше. Мы хотели бы знать, насколько сильно электрическое поле внутри оболочки.
Давайте разберем искривленное поле на две составляющие: радиальную составляющую , которая указывает в сторону от местоположения частицы, и поперечную составляющую , которая указывает в перпендикулярном направлении
Соотношение этих компонентов определяется направлением излома
Мы можем найти радиальную компоненту, применив закон Гаусса к крошечной рамке, расположенной на внутренней поверхности оболочки (Gaussian pillbox на рисунке). Пусть стороны рамки будут бесконечно короткими, чтобы поток через них был ничтожен. Тогда, поскольку чистый поток через рамку равен нулю, радиальная составляющая вектора
где q — заряд частицы. Подставим это уравнение в предыдущее и используем тот факт, что R = cT:
Хотя выражение выводилось для частного случая, когда конечная скорость частицы равна нулю, оно верно и в более общих случаях.
(Чтобы убедиться в этом, рассмотрите случай, когда частица сначала находится в состоянии покоя, а затем получает внезапный удар вправо).
Таким образом, у нас есть все, что нужно знать о силе импульса излучения. Во-первых, обратите внимание, что поперечное поле пропорционально 1/R, а не квадрату. Это означает, что с течением времени и увеличением R, поперечное поле становится намного сильнее радиального; на очень больших расстояниях радиальным полем можно полностью пренебречь, и поле будет чисто поперечным. Во-вторых, рассмотрим зависимость от угла θ: она слабее всего вдоль направления движения (θ = 0 или 180°) и сильнее всего под прямым углом к движению (θ = 90°). Оглядываясь на предыдущий рисунок, мы видим, что размер излома в поле является качественным показателем напряженности поля. Наконец, обратите внимание, что сила поперечного поля пропорциональна а, величине ускорения частицы. Чем больше ускорение, тем сильнее импульс излучения.
Этот импульс излучения несет в себе энергию. Вспомним из электростатики, что энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, пропорциональна квадрату напряженности поля. В нашем случае это подразумевает
Поскольку объем сферической оболочки (самой оболочки, а не области, которую она охватывает) пропорционален квадрату радиуса, полная энергия, содержащаяся в ней, не изменяется с течением времени и увеличением R. Таким образом, когда заряженная частица ускоряется, она теряет энергию для своего окружения в количестве, пропорциональном квадрату ее ускорения. Этот процесс является основным механизмом, лежащим в основе всего электромагнитного излучения: видимого света и его невидимых собратьев, от радиоволн до гамма-лучей.
Формула Лармора
Теперь можно перейти к приложениям. Выведем точную формулу для энергии, излучаемой ускоренной заряженной частицей. Энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, равна
Как только импульс становится достаточно большим, мы можем пренебречь радиальной составляющей поля и просто подключить для .
В результате получается
Если нас не волнует направление, в котором идет энергия, то удобно усреднить уравнение по всем направлениям. Провернем один математический трюк. Введем координатную систему с началом координат в центре сферы и осью вдоль первоначального направления движения частицы. Тогда для любой точки (x, y, z) на сферической оболочке cosθ = x/R. Используя угловые скобки〈 〉для обозначения среднего значения по всем точкам на оболочке, запишем тождество
Теперь, поскольку начало координат находится в центре сферы, придется согласиться, что среднее значение квадрата икс равно среднему значению и для квадратов других компонент:
но тогда выходит, что
Ну, а так как и R — константа по всей оболочке, то:
Таким образом, средняя энергия на единицу объема, запасенная в поперечном электрическом поле, равна
Для получения полной энергии, накопленной в поперечном электрическом поле, необходимо умножить полученное выражение на объем сферической оболочки.
Площадь поверхности оболочки равна 4πR², а ее толщина — ct₀, поэтому ее объем является произведением этих множителей. Тогда общая энергия
Заметим, что полная энергия не зависит от R; то есть оболочка несет в себе фиксированное количество энергии, которое не уменьшается по мере ее расширения. До сих пор в обсуждениях фигурировало только электрическое поле ускоренного заряда. Но оказывается, что есть еще и магнитное поле, которое уносит равное количество энергии. В принципе, ошибка в два раза не так существенна для нашей формулы, но все же будем честными. Оставим все интересности связанные с магнитным полем на следующий раз, а пока все же учтем, что суммарная энергия, переносимая импульсом излучения, в два раза больше, чем в последнем уравнении, или
Обычно удобнее разделить обе стороны этого уравнения на длительность ускорения частицы t₀. Левая сторона тогда становится энергией, излучаемой частицей в единицу времени, или мощностью, выделяемой во время ускорения:
Этот результат называется формула Лармора, так как он был впервые получен (с использованием более сложного метода) Джозефом Лармором в 1897 году.
Вывод, приведенный здесь, был впервые опубликован Джозефом Томсоном (первооткрывателем электрона) в 1907 году. Хотя наш вывод опиратся на частный случай, когда конечная скорость частицы равна нулю, формула Лармора справедлива для любого вида ускоренного движения при условии, что скорость частицы всегда намного меньше скорости света. Тем не менее, можно сделать и обобщение на релятивистский случай.
Электромагнитные Волны
В предыдущем разделе мы пришли к выводу, что когда заряженная частица ускоряется, часть ее электрического поля вырывается на свободу и удаляется со скоростью света, образуя импульс электромагнитного излучения. Часто на практике заряженные частицы непрерывно колеблются взад и вперед, посылая один импульс за другим в периодической последовательности. Вот пример электрического поля вокруг колеблющегося заряда
Если проследить прямую линию от заряда в центре рисунка, можно заметить, что поле колеблется взад и вперед. Расстояние, на котором повторяется направление поля, называется длиной волны.
Например, точки А и В находятся на расстоянии одной длины волны друг от друга.
Если вы сидите в неподвижной точке и наблюдаете, как электрическое поле проходит мимо, вы обнаружите, что его направление колеблется. Время, за которое паттерн повторяется один раз, называется периодом волны и равно времени, за которое заряд источника повторяет один цикл своего движения. Период также равен времени, за которое волна проходит расстояние в одну длину волны. Поскольку она движется со скоростью света, мы можем заключить, что длина волны и период связаны пропорцией
где λ («лямбда») — стандартный символ для длины волны, а Т — это стандартный символ для периода, и с — скорость света. Частота колебания обратнопропорциональна периоду. Из соображений традиции и удобства, электромагнитные волны разной длины называются по-разному. Радиоволны с длиной волны в метр и более генерируются относительно легко, когда заряд проходит вверх и вниз по антенне. Несколько более короткие длины волн используются для телевизионной и микроволновой связи.
Инфракрасные волны — длина волны от миллиметра до 700 нанометров; случайные микроскопические движения, присутствующие во всей материи при комнатной температуре, вызывают излучение инфракрасного излучения с длиной волны около сотой доли миллиметра. Более горячие объекты, такие как Солнце, испускают излучение в видимом спектре, который охватывает диапазон 400-700 нанометров, к которому чувствителен человеческий глаз. Длина волны видимого света определяет его цвет, причем красный свет имеет самую длинную длину волны, а фиолетовый — самую короткую. Еще более коротковолновые волны относятся к ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучам.
Почему небо голубое?
Солнце испускает видимый свет всех цветов, который бомбардирует атмосферу Земли. Атмосфера относительно прозрачна для большей части этого света. Но если бы атмосфера была полностью прозрачной, небо казалось бы черным. По-видимому, часть света от Солнца рассеивается или отклоняется молекулами воздуха.
Когда мы смотрим на небо в направлении от Солнца, мы видим этот рассеянный свет, который в основном синий, и наоборот, красный свет легче проходит толщу атмосферы, что делает его видимым, когда Солнце находится вблизи горизонта. Но почему молекулы воздуха рассеивают синий свет больше, чем красный? Очевидно, короткие волны рассеиваются гораздо сильнее, чем длинные. Мы можем понять это явление, представив простую модель процесса рассеяния и применив результаты вышепроведенных выкладок, согласно которым энергия, излучаемая ускоренным зарядом, пропорциональна квадрату ускорения. Рассмотрим один атом азота или кислорода в атмосфере.
Для наших целей лучше всего представить атом как крошечную точку с положительным зарядом (ядро), окруженную большим облаком размазанного отрицательного заряда (электроны). Заряды компенсируются, и атом электрически нейтрален. Теперь предположим, что мимо проходит электромагнитная волна. Электрическое поле в месте расположения атома сначала указывает вверх, затем вниз, затем снова вверх, снова вниз… (Для видимого света длина волны намного больше, чем размер атома.
) Хотя нейтральный атом не чувствует чистой силы от этого электрического поля, его составляющие действительно чувствуют силы, поэтому они слегка отклоняются в противоположных направлениях. Впрочем, далеко они не уходят, так как потенциал дает о себе знать. Это похоже на то, как если бы электроны и ядро были соединены вместе жесткой пружиной. Когда волна проходит мимо, ядро слегка колеблется вверх и вниз на той же частоте, что и волна. Мы можем описать его положение как:
где ω = 2πc/λ и λ-длина волны. Пока «пружина» очень жесткая, амплитуда x₀ будет зависеть только от силы электрического поля, а не от длины волны. Поскольку ядро колеблется вверх и вниз, оно само испускает электромагнитное излучение с одинаковой частотой и длиной волны. Согласно предыдущим пунктам, излучаемая энергия пропорциональна квадрату ускорения. Ускорение ядра определяется как вторая производная его положения:
Теперь мы можем определить, как количество излучаемой энергии зависит от длины волны:
Эта формула гласит, что коротковолновая волна заставляет ядро излучать гораздо больше энергии, чем длинноволновая.
То же самое верно и в отношении излучения, испускаемого электронами, которые колеблются в противоположном направлении с той же частотой. Это электромагнитное излучение, испускаемое атомом, несет в себе энергию, и энергия должна откуда-то браться. Должно быть правдоподобным, что энергия исходит от поступающей волны, возбуждающей атомные колебания. Эта волна продолжает свой путь, но часть ее энергии была потеряна. Не будем вдаваться в точный механизм этого процесса на данном этапе — просто уповаем на сохранение энергии.
Таким образом, можно заключить, что когда проходит световая волна, атом забирает из нее некоторую энергию и вновь излучает эту энергию как волну той же длины во все направления. Из последнего уравнения видно, что этот процесс гораздо эффективнее для коротковолнового (то есть фиолетового и синего) света, чем для длинноволнового. Вот почему небо голубое. И наоборот, когда смесь различных цветов света проходит через большое количество воздуха, большая часть синего света удаляется, оставляя в основном красный.
Вот почему так прекрасны закаты.
P.S.
Кто-то может возразить, дескать, небо фиолетовое, но на восприятии человека сказывается предрасположенность к синему спектру из-за строения колбочек в глазах, да и вообще, в ваших расчетах слишком много частностей и допущений. Наиболее правильным будет обратить его внимание на неравномерность интенсивности спектра Солнца. А более строгий вывод формулы Лармора осуществляется через уравнения Максвелла, потенциалы Лиенара-Вихерта и функции Грина. Подобные строгие выкладки приводят к тому же результату и описаны во многих книжках по электродинамике (Например Е.Ю.Петров Излучение электромагнитных волн движущимися заряженными частицами). Мы же использовали лекционные наброски Дэниела Шрёдера, который в свою очередь опирался на потрясающий учебник Эдварда Перселла «Электричество и магнетизм», что во многом наглядней и более интуитивно.
6 миллионов долларов на исследования преобразования энергии сверхвысоких волн
- UH Новости
Новое вливание 6 миллионов долларов от Командования инженерных сооружений ВМС и Центра экспедиционных боевых действий позволит Гавайскому институту природной энергии ( HNEI ) при Гавайском университете в Маноа продолжать проводить важные исследования и материально-техническую поддержку единственному испытательный полигон энергии волн, подключенный к сети, в стране. Испытательный полигон волновой энергии ВМС США ( WETS ) у базы морской пехоты на Гавайях представляет собой уникальный испытательный полигон для предкоммерческих преобразователей волновой энергии ( WECs ) для демонстрации производительности в условиях эксплуатации и повышения уровня их технологической готовности.
Морская энергия обладает огромным потенциалом для обеспечения постоянного энергоснабжения наблюдения и мониторинга океана, опреснения воды, аквакультуры, добычи полезных ископаемых в море и электрификации отдаленных или островных населенных пунктов.
«Мы воодушевлены последними инвестициями ВМФ в нашу работу по продвижению волновой энергии благодаря нашей поддержке WETS , особенно потому, что он позволяет нам расширить наши исследования в новых областях, имеющих отношение к оффшорным приложениям, таким как автономная подзарядка транспортных средств для целей наблюдения за океаном», — сказал Пэт Кросс , специалист по исследованиям в области морской энергетики в HNEI и директор. Исследователь программы поддержки WETS .
Эти средства, направленные в Лабораторию прикладных исследований по адресу UH , работающую с HNEI , позволят университету поддерживать ряд 9Развертывание 0010 WEC запланировано на период с 2021 по 2024 год в виде мониторинга окружающей среды, оценки мощности и живучести, а также дополнительной материально-технической поддержки ВМФ и компаний-разработчиков WEC .
В дополнение к основной поддержке WETS , новые средства будут поддерживать расширение исследований UH , связанных с морскими, не подключенными к сети приложениями энергии волн.
HNEI рассмотрит потенциал существующих Инфраструктура WETS для поддержки создания морского испытательного и демонстрационного узла, включая подводное хранилище энергии, а также интерфейсы связи и питания, которые позволят небольшим WEC перезаряжать автономные подводные аппараты ( AUV ) и различные датчики окружающей среды. системы. Команда также разработает док-станцию и зарядную станцию AUV для использования в WETS .
Новое финансирование дополнительно поддерживает HNEI и UH исследователи для продвижения ряда исследовательских проектов, таких как система выработки электроэнергии и управления для плавучей колеблющейся водяной колонны WEC , предназначенная для таких приложений, как наблюдение за океаном, навигация и перезарядка оборудования. Новая система волноломов также будет усовершенствована с интегрированным WEC , который будет генерировать энергию из энергии волн, защищая прибрежные районы.
Кроме того, команда разработает малогабаритную установку WEC , которую можно быстро развернуть как для производства электроэнергии, так и для опреснения морской воды вблизи берега.
Прогрессу Гавайев в переходе к возобновляемым источникам энергии для производства электроэнергии хорошо способствует развитие энергии волн, учитывая доступность этого ресурса в штате и его потенциал для расширения и дополнения других форм переменной возобновляемой энергии, в частности ветра и солнечный. Энергия волн относительно постоянна в течение дня и ночи, и ее можно прогнозировать с точной точностью на неделю или более вперед, что расширяет возможности управляющих сетями планировать ее вклад в общий баланс генерации в сети.
Эта работа является примером цели UH Mānoa «Превосходство в исследованиях: продвижение научно-исследовательской и творческой деятельности» ( PDF ), одной из четырех целей, определенных в Стратегическом плане на 2015–2025 годы ( PDF ), обновленном в декабре 2020 года.
Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт SOEST .
Лаборатория прикладных исследованийэнергетикаГавайский институт природной энергииИсследования МаноаШкола наук об океане и Земле и технологийустойчивое развитиеUH Manoa
- предыдущее сообщение: От аэрокосмической промышленности до сельского хозяйства, гранты для UH программы реагирования на COVID
- следующее сообщение: Слишком медленный прогресс в достижении цели с отрицательным выбросом углерода для предотвращения катастрофы
№ 2169: Wave Power
№ 2169 :
WAVE POWER
Джон Х. Линхард
Щелкните здесь для прослушивания аудио эпизода 2169.
Сегодня сила волн.
Инженерный колледж Хьюстонского университета представляет серию статей о
машины, на которых работает наша цивилизация, и люди, чья изобретательность их создала.
На южном побережье Орегона этой осенью я гулял по пескам и причалы, наблюдая, как волны разбиваются о скалы и пирсы с гигантской энергией. Это была энергия, высвобожденная в таком масштабе, который мы не часто видим в такой грубой форме. из наших рук и убегает.
Но мы люди, и люди будут обладать тем, что демонстрирует природа. Мы найдем путь, и вот был приз, который мы все хотим претендовать. Конечно, идея извлечения энергия от движения моря старая, даже если она не была реализована очень часто.
Было бы неплохо, если бы мы могли каким-то образом брать энергию у тех, кто постоянно движущиеся воды, и делать это близко к нашим домам на суше. Мы приложили усилия в обуздании приливов вдоль наших берегов. Но это практично только там, где приливы и отливы велики. Залив Фанди 55-футовое изменение прилива является главной приманкой. Приливная электростанция мощностью 18 МВт уже работает на его берег Новой Шотландии.
Таких мест, увы, немного.
Приливная энергия также вызывает экологические проблемы.
Он может нанести ущерб судоходству, морской жизни и самому берегу.
Таким образом, только небольшая часть нашей потребности в энергии будет обеспечиваться приливами.
Их родственный источник энергии, волновая энергия, с другой стороны, начинает выглядеть очень
привлекательный.
Огромная часть солнечной энергии превращается в волновое движение. И, за исключением случайные цунами, волновая энергия скользит по поверхности океана — она скользит по семьдесят процентов поверхности нашей планеты. Итак: Как получить эту энергию?
Многие системы волновой энергии сейчас лежат на чертежных досках. Некоторые из них связаны с волновым заполнением бак, затем слив через турбину. Или волны могут наполнить танк воздухом вверх через откидной клапан, затем через ветряную турбину. Воздух возвращается в бак через другой клапан по мере опорожнения бака. И процесс повторяется.
Одна система устанавливается у побережья Агуадура в северной Португалии:
Это Pelamis, , плавучая волновая электростанция мощностью два с половиной мегаватта.
Pelamis представляет собой систему четырехсотфутовых резервуаров с петлями посередине. Они плавают
и изгибаться в волнах, приводя в движение гидравлическую жидкость для питания больших мотор-генераторов.
Другая система может в ближайшем будущем покинуть тот берег Орегона. Инженеры в Университет штата Орегон разрабатывает специальные буи. Они привязывают постоянный магнит на морское дно внутри плавучего резервуара. При прохождении каждой волны танк поднимается и падает, пронося катушки мимо магнита. Это линейный электродвигатель, передающий мощность обратно на берег через провода на морском дне.
Инженер-электрик OSU Аннет фон Жуанн описывает это; и она предоставляет карту хороших мест для волновых электростанций. Многие из них расположены вдоль южной Атлантики и Индийский океан, а также атлантическое побережье Европы и Англии.
Наш тихоокеанский северо-западный берег особенно хорош. В азарте и театре
разбивающихся волн там, на побережье Орегона, я действительно видел богатый источник
сила — созрела для сбора урожая.
