Электромагнитные волны и переменный ток

Связанные электрическое и магнитное поля

Переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, а переменное электрическое поле — магнитное. Электромагнитная волна — распространяющаяся в пространстве система взаимно связанных переменных электрического и магнитного полей. Ей не нужна материальная среда; в вакууме она движется со скоростью света.

$$c=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0{\mu }_0}}\approx 3,0\cdot 10^8\text{м/с}$$

Векторы $\vec{E}$ и $\vec{B}$ перпендикулярны друг другу и направлению распространения. Как у любой волны, $c=\lambda \nu$ в вакууме. При переходе через неподвижную границу частота сохраняется, а скорость и длина волны изменяются. Для обычных прозрачных сред в видимом диапазоне показатель преломления больше единицы, поэтому обе величины меньше вакуумных.

Объёмная условная проекция электромагнитной волны: электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны и поперечны общему направлению распространения.

Электромагнитный спектр

Радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение имеют одну природу и различаются частотой и длиной волны. С ростом частоты энергия одного кванта увеличивается, а длина в вакууме уменьшается.

Границы диапазонов условны. Биологическое действие определяется не только мощностью, но и частотой, временем и способом поглощения.

Переменный ток

Переменный ток — ток, величина и направление которого периодически изменяются. В бытовой сети напряжение близко к синусоидальному:

$$u(t)=U_m\cos \omega t,i(t)=I_m\cos (\omega t+\phi )$$

Действующие значения определяют такой же средний нагрев резистора, как постоянные ток и напряжение:

$$U=\frac{U_m}{\sqrt{2}},I=\frac{I_m}{\sqrt{2}}$$

Для чистого резистора ток и напряжение совпадают по фазе и средняя мощность равна $P=UI$. В цепях с катушками и конденсаторами появляется сдвиг фаз, а активная мощность становится $P=UI\cos \phi$.

Первичная и вторичная обмотки охватывают общий сердечник; у вторичной больше витков и выше напряжение в идеальной модели.

Получение и преобразование

Генератор вращает рамку в магнитном поле, периодически меняя поток и создавая ЭДС по закону электромагнитной индукции. Частота задаётся скоростью вращения и числом пар полюсов. Механическая энергия турбины превращается в электрическую.

Трансформатор использует переменный магнитный поток в общем сердечнике. Для идеального устройства:

$$\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1},U_1{I}_1\approx U_2{I}_2$$

Повышение напряжения уменьшает ток при той же мощности и тем самым потери $I^{2}R$ в линиях. Постоянный ток трансформатором не преобразуется, потому что после включения не создаёт изменяющегося потока. Электромагнитные волны возникают, когда переменные токи и поля излучаются антенной в пространство, продолжая процесс за пределами цепи.

Как волна переносит сообщение

В радиопередатчике звуковой или цифровой сигнал изменяет один из параметров высокочастотного колебания: амплитуду, частоту или фазу. Это модуляция. Антенна излучает волну, приёмная антенна преобразует её в электрический сигнал, а приёмник выделяет нужный диапазон и восстанавливает сообщение. Телевидение передаёт сведения об изображении и звуке, а сотовая связь использует сеть базовых станций и радиоканалы между ними и телефонами.

Радар излучает импульс и принимает отражение. При времени возврата $\Delta t$ расстояние до цели равно $r=c\Delta t/2$; частотный сдвиг помогает оценить скорость. В реальном воздухе скорость близка к $c$, а помехи и отражения от нескольких объектов усложняют измерение.

На ТЭС и АЭС турбину приводит в движение нагретое рабочее тело, на ГЭС — вода, на ветровой установке — воздух; далее генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Солнечная батарея преобразует световую энергию непосредственно в электрическую. Сравнивают не только мощность, но и расход ресурсов, выбросы, влияние на экосистемы, отходы и устойчивость выработки; экономия энергии уменьшает необходимую выработку.