Электромагнитные волны

Опорный конспект по физике в 9 классе по темам «Переменный ток. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн. Шкала ЭМВ». Вернуться к Списку конспектов по физике

Проверяемые элементы содержания (ПЭС):
👉 ФОП ООО: 10.1. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн
10.2. Шкала электромагнитных волн.
👉 ОГЭ: 3.19 Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн

Переходим от механики (звук, колебания) к электродинамике — разделу физики, который описывает электромагнитные поля, волны и их применение. Это самый важный раздел для понимания работы электроники, связи и энергетики.

Переменный ток (Что это и чем отличается от постоянного)

В 8 классе мы изучали постоянный ток (ток, который течёт в одном направлении — от плюса к минусу, например, батарейка).
📌 Переменный ток — это ток, который периодически меняет своё направление и величину со временем.

Главное отличие:
• Постоянный ток: \( I = const \) (график — горизонтальная прямая).
• Переменный ток: \( I(t) \) меняется по синусоидальному закону (график — синусоида). В розетке у нас именно переменный ток с частотой 50 Гц (т.е. направление меняется 100 раз в секунду).

Почему в быту используется переменный ток?
1. Его легко трансформировать (повышать/понижать напряжение).
2. Его легко передавать на большие расстояния с малыми потерями.
3. Генераторы переменного тока проще и дешевле.

Генератор переменного тока (Как добывают электричество)

📌  Генератор переменного тока — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую (энергию переменного тока).

Принцип работы (Основная идея):
1. Внутри генератора вращается ротор (магнит или электромагнит) в магнитном поле.
2. При вращении рамки (катушки) в магнитном поле в ней возникает переменная ЭДС индукции (по закону электромагнитной индукции Фарадея).
3. Через щётки и кольца ток снимается в цепь.
Где используется: На электростанциях (ГЭС, ТЭС, АЭС) — турбины вращают роторы генераторов, вырабатывая электричество.

Передача электрической энергии (Почему высокое напряжение?)

Электростанции часто находятся далеко от городов. Передавать электроэнергию по проводам сложно, потому что провода греются (выделяется тепло \( Q = I^2 R t \)).
📌 Потери энергии в проводах: \( Q = I^2 \cdot R \cdot t \).

Чтобы уменьшить потери:
1. Уменьшить ток (\( I \)) — для этого повышают напряжение (\( U \)).
2. (Мощность \( P = U \cdot I \) постоянна, поэтому при повышении \( U \) ток \( I \) падает).

Поэтому:
• На электростанции ставят повышающий трансформатор (поднимают напряжение до сотен киловольт).
• Передают по ЛЭП.
• У потребителя ставят понижающий трансформатор (снижают до 220 В).

Трансформатор (Главное устройство в энергетике)

📌  Трансформатор — это устройство, предназначенное для изменения (повышения или понижения) напряжения переменного тока.

Устройство:
• Первичная обмотка (вход) — \( N_1 \) витков.
• Вторичная обмотка (выход) — \( N_2 \) витков.
• Сердечник (замкнутый железный магнитопровод) — для концентрации магнитного поля.

Принцип работы (Формула трансформатора):

\( \frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} \)

(отношение напряжений равно отношению чисел витков).

Типы трансформаторов:
• Повышающий: \( N_2 > N_1 \), \( U_2 > U_1 \) (на электростанциях).
• Понижающий: \( N_2 < N_1 \), \( U_2 < U_1 \) (в зарядках, адаптерах).
Важно: Трансформатор работает только на переменном токе! (На постоянном токе он не работает, потому что нет изменяющегося магнитного потока).

Электромагнитное поле (Фундаментальное понятие)

В 8 классе мы изучали электрическое поле (от зарядов) и магнитное поле (от токов и магнитов). В 9 классе мы объединяем их в электромагнитное поле.
📌 Электромагнитное поле — это особая форма материи, существующая вокруг движущихся заряженных частиц и переменных электрических и магнитных полей.

Связь электричества и магнетизма:
• Переменное электрическое поле порождает магнитное поле.
• Переменное магнитное поле порождает электрическое поле.
• Это взаимное порождение распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.

Электромагнитные колебания и колебательный контур

📌  Электромагнитные колебания — это периодические изменения электрического заряда, тока и напряжения в электрической цепи.

Колебательный контур — это цепь, состоящая из:
• Катушки индуктивности (\( L \)).
• Конденсатора (\( C \)).
• Резистора (\( R \)) (может быть, но в идеальном случае его нет).

Как работают колебания в контуре:
1. Конденсатор заряжается (энергия электрического поля \( E_{эл} = \frac{q^2}{2C} \)).
2. Разряжается через катушку — возникает ток, создаётся магнитное поле катушки (\( E_{м} = \frac{LI^2}{2} \)).
3. Процесс перекачивания энергии между электрическим и магнитным полем повторяется периодически (как маятник перекачивает энергию между кинетической и потенциальной).

Период колебаний в контуре (формула Томсона):

\( T = 2\pi \sqrt{LC} \)

• \( T \) — период (с)
• \( L \) — индуктивность катушки (Гн)
• \( C \) — ёмкость конденсатора (Ф)

Электромагнитные волны (ЭМВ)

📌 Электромагнитная волна — это распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.

Ключевые свойства (ОГЭ-шпаргалка):
1. Не требует среды (распространяется в вакууме).
2. Скорость в вакууме: \( c = 3 \cdot 10^8 \, м/с \) (скорость света).
3. Поперечная волна (векторы \( \vec{E} \) и \( \vec{B} \) колеблются перпендикулярно направлению распространения).
4. Переносит энергию.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн:
• Генрих Герц (1888 г.) впервые получил и зарегистрировал электромагнитные волны с помощью вибратора (искровой разрядник), подтвердив теорию Максвелла.
• Александр Попов (1895 г.) создал первый в мире радиоприёмник, способный принимать сигналы от разрядов молнии (грозоотметчик).

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны различаются по частоте (\( \nu \)) и длине волны (\( \lambda \)). Все они имеют одинаковую природу.

Формула связи (главная формула для ЭМВ):

\( \lambda = \frac{c}{\nu} \)

(длина волны обратно пропорциональна частоте).

Решение типовых задач

ЗАДАЧА №1 (Трансформатор — расчет напряжения)
Условие: Первичная обмотка трансформатора содержит 200 витков, вторичная — 50 витков. Напряжение на первичной обмотке 220 В. Найдите напряжение на вторичной обмотке.
Дано:
\( N_1 = 200 \)
\( N_2 = 50 \)
\( U_1 = 220 \, В \)
Решение:
\( \frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} \Rightarrow \frac{U_2}{220} = \frac{50}{200} = 0,25 \Rightarrow U_2 = 220 \cdot 0,25 = 55 \, В \).
Ответ: \( 55 \, В \) (понижающий трансформатор).

ЗАДАЧА №2 (Длина электромагнитной волны)
Условие: Радиостанция вещает на частоте 100 МГц. Найдите длину волны (скорость света \( c = 3 \cdot 10^8 \, м/с \)).
Дано:
\( \nu = 100 \, МГц = 100 \cdot 10^6 \, Гц = 10^8 \, Гц \)
\( c = 3 \cdot 10^8 \, м/с \)
Решение:
\( \lambda = \frac{c}{\nu} = \frac{3 \cdot 10^8}{10^8} = 3 \, м \).
Ответ: \( 3 \, м \).

ЗАДАЧА №3 (Период колебаний в контуре)
Условие: Колебательный контур имеет индуктивность 0,4 Гн и ёмкость \( 10^{-5} \) Ф. Найдите период колебаний. (\( \pi \approx 3,14 \)).
Дано:
\( L = 0,4 \, Гн \)
\( C = 10^{-5} \, Ф \)
Решение:
\( T = 2\pi \sqrt{LC} = 2 \cdot 3,14 \cdot \sqrt{0,4 \cdot 10^{-5}} = 6,28 \cdot \sqrt{4 \cdot 10^{-6}} = 6,28 \cdot 2 \cdot 10^{-3} = 0,01256 \, с \).
Ответ: \( 0,01256 \, с \).

Шпаргалка — Переменный ток, трансформаторы, ЭМВ

(с) Ниже в учебных целях использованы схемы из учебного пособия «Физикa в таблицaх и схeмах: Все темы школьной программы. 7—11 классы. — СПб.: Издательский Дом «Литeрa», 2023», автор: Янчeвскaя О. В.

❓ Вопрос на подумать (к следующей теме): Мы изучили электромагнитные волны, в том числе видимый свет. Чем свет отличается от радиоволн? По сути, ничем, кроме частоты!

(Следующая тема — Оптика — будет полностью посвящена свету как электромагнитной волне).

Конспект урока «Переменный ток. Электромагнитные колебания. Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн. Шкала ЭМВ». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по физике для 7-11 классов
• Найти конспект через Кодификатор ОГЭ по физике
• Найти конспект через Кодификатор ЕГЭ по физике
• «ЗАДАЧИ на механические колебания с решениями»
• «ЗАДАЧИ на механические волны с решениями»