2.13. Переменный электрический ток. Электромагнитные колебания и волны. Шкала электромагнитных волн

Теоретическая справка

Переменным называется ток, изменяющийся по величине и направлению по гармоническому закону. Переменный ток получают с помощью генератора переменного тока. Генератор переменного тока (электромеханический генератор переменного тока) – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. В основе работы генератора переменного тока лежит явление электромагнитной индукции.

Основные части генератора переменного тока:

1. обмотка статора с большим числом витков, в ней индуцируется ЭДС. Статор состоит из отдельных пластин из электротехнической стали для уменьшения нагрева от вихревых токов;

2. ротор (вращающаяся часть генератора) создает магнитное поле. Для получения нужной частоты переменного тока может иметь несколько пар полюсов. Например, на гидроэлектростанциях в генераторе число пар полюсов равно 40–50;

3. клеммы для снятия напряжения.

Промышленные генераторы вырабатывают напряжение порядка 104 В. Промышленная частота переменного тока в нашей стране 50 Гц. Электроэнергия производится в основном вдалеке от основных потребителей энергии, там, где есть топливные ресурсы. С электростанции переменный ток по проводам линии электропередач (ЛЭП) поступает к различным потребителям электрической энергии. Для уменьшения потерь при передаче переменного тока необходимо использовать высокое напряжение.

Трансформатор – устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз. Основные части трансформатора: замкнутый сердечник из электротехнической стали и две катушки-обмотки. Катушка, подключаемая к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой; катушка, к которой подключается нагрузка, – вторичной обмоткой. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции.

В режиме холостого хода (без нагрузки) напряжение на первичной ($U_1$) и вторичной ($U_2$)  обмотках отличаются во столько же раз, во сколько раз отличаются количества витков в этих катушках

$k=\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}$.

Коэффициент  называется – коэффициент трансформации. Если $k>1$, то трансформатор понижающий (уменьшает подаваемое напряжение), если $k<1$, то трансформатор повышающий (увеличивает подаваемое напряжение).

Электромагнитное поле – это особый вид материи, с помощью которого осуществляется электромагнитное взаимодействие заряженных тел или частиц. Понятие электромагнитного поля было введено Д. Максвеллом. Согласно Максвеллу: всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. Вихревое электрическое поле порождает появление вихревого магнитного поля и так далее. Эти переменные электрическое и магнитное поля, существующие одновременно, и образуют единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле материально. Оно распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны. Электромагнитная волна – это изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы – колеблющиеся заряды.

Длина электромагнитной волны: $\lambda =cT=\frac{c}{\nu }$.

Шкала электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн

1. В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью равной скорости света 3·108 м/с.
2. Электромагнитные волны поперечные. Колебания векторов напряженности переменного электрического поля и магнитной индукции переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости волны (см. рисунок ниже).
3. Электромагнитные волны переносят энергию в направлении распространения волны.
4. Электромагнитная волна в отличие от механической волны может распространяться в вакууме.
5. Электромагнитные волны могут отражаться от поверхностей (отражение волн).
6. При переходе из одной среды в другую электромагнитные волны могут менять направление своего распространения (преломление волн).
7. Электромагнитные волны могут взаимно усиливать или ослаблять друг друга (интерференция волн).
8. Электромагнитные волны способны огибать препятствия (дифракция волн);

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. На рисунке представлена шкала электромагнитных волн.

Используя данные шкалы, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Электромагнитные волны частотой 3000 кГц принадлежат только радиоизлучению.
2) Наибольшую скорость распространения в вакууме имеют гамма-лучи.
3) Электромагнитные волны частотой 10ГГц могут принадлежать как инфракрасному излучению, так и видимому свету.
4) Рентгеновские лучи имеют бóльшую длину волны по сравнению с ультрафиолетовыми лучами.
5) Длины волн видимого света составляют десятые доли микрометра.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. Частота 3000 кГц выраженная в мегагерцах равна 3 МГц. Судя по шкале электромагнитных волн, волны с частотой 3 МГц относятся только к радиоволнам.

Утверждение 2 — неверно. Все электромагнитные волны распространяются в вакууме с одинаковой скоростью — скоростью равной скорости света.

Утверждение 3 — неверно. Судя по шкале электромагнитных волн, волны с частотой от $3 \cdot 10^4$ ГГц до $3 \cdot 10^5$ ГГц относятся только к инфракрасному излучению. Волны с частотой $10^5$ ГГц принадлежат к указанному интервалу, значит они относятся к инфракрасному излучению.

Утверждение 4 — неверно. На шкале электромагнитные волны расположены в порядке убывания длины волны слева направо.

Утверждение 5 — верно. Частота излучения видимого света имеет порядок 106 ГГц. Длина волны:  $\lambda =\frac{3 \cdot 10^8}{10^6 \cdot 10^9}=3 \cdot 10^{-7}$ м $=0,3$ мк.  

Ответ: 15

[свернуть]

2. Установите соответствие между физическими понятиями и их определениями: к каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
А) радиоволны

Б) электрический ток

В) электромагнитное поле

1) заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени
2) процесс распространения механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде
3) длинноволновая часть спектра электромагнитного излучения
4) вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами
5) упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Нажмите, чтобы увидеть решение

А) радиоволны — длинноволновая часть спектра электромагнитного излучения;

Б) электрический ток — упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц;

В) электромагнитное поле — вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.  

Ответ: 354

[свернуть]

3. В промышленных и военных целях широко используется тепловидение, его камеры могут обнаружить источники теплового излучения и произвести изображение этого излучения. Какая часть электромагнитного излучения используется в тепловидении?

1) инфракрасные лучи
2) радиолучи
3) гамма-лучи
4) ультрафиолетовые лучи

Нажмите, чтобы увидеть решение

Тепловое излучение — это электромагнитные волны, называемые также инфракрасным излучением, испускаемые телами за счёт их внутренней энергии.

Ответ: 1

[свернуть]

4. На рисунке приведена шкала электромагнитных волн. Укажите, к какому виду излучения относятся области 1, 2 и 3.

1) 1 – рентгеновское излучение; 2 – видимое излучение; 3 – радиоизлучение
2) 1 – видимое излучение; 2 – радиоизлучение; 3 – рентгеновское излучение
3) 1 – радиоизлучение; 2 – видимое излучение; 3 – рентгеновское излучение
4) 1 – радиоизлучение; 2 – рентгеновское излучение; 3 – видимое излучение

Нажмите, чтобы увидеть решение

Согласно шкале электромагнитных волн: 1 – радиоизлучение; 2 – видимое излучение; 3 – рентгеновское излучение.  

Ответ: 3

[свернуть]

5. На какую длину волны нужно настроить радиоприемник, чтобы слушать радиостанцию, которая вещает на частоте 106,2 МГц?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Находим длину волны по формуле $\lambda =\frac{c}{\nu }$

$\lambda =\frac{3 \cdot 10^8}{102, 6 \cdot 10^6 }\approx 3$ м.  

Ответ: 3 м.

[свернуть]

 

6. К электромагнитным волнам относятся:

А. волны на поверхности воды.
Б. радиоволны.
В. ультрафиолетовые волны.

Правильный ответ:

1) только А
2) только Б
3) только В
4) Б и В

Нажмите, чтобы увидеть решение

К электромагнитным волнам относятся радиоволны и ультрафиолетовые волны. Волны на поверхности воды относятся к механическим.  

Ответ: 4

[свернуть]

7. При переходе электромагнитной волны из воздуха в стекло не меняется

1) только скорость распространения
2) длина волны и частота
3) длина волны и скорость распространения
4) период и частота

Нажмите, чтобы увидеть решение

При переходе из одной среды в другую не меняется частота, а значит и период, электромагнитных волн.  

Ответ: 4

[свернуть]

8. Какая часть солнечного спектра ответственна за образование загара на коже человека?

1) инфракрасные лучи
2) радиолучи
3) гамма-лучи
4) ультрафиолетовые лучи

Нажмите, чтобы увидеть решение

Под действием ультрафиолетовых волн на коже человека образуется загар.  

Ответ: 4

[свернуть]

9. К электромагнитным волнам относятся

А. звуковые волны.
Б. световые волны.

Укажите правильный ответ.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

К электромагнитным волнам относятся световые волны. Звуковые волны относятся к механическим.  

Ответ: 2

[свернуть]

10. На рисунке приведена шкала электромагнитных волн. Определите, к какому виду излучения относятся электромагнитные волны, длина волны которых 5 мм.

1) только к рентгеновскому излучению
2) только к радиоизлучению
3) к ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению
4) к радиоизлучению и инфракрасному излучению

Нажмите, чтобы увидеть решение

Найдем частоту электромагнитной волны с длиной 5 мм

$\nu =\frac{c}{\lambda }$,  $\nu =\frac{3 \cdot 10^8}{5 \cdot 10^{-3} } =6 \cdot 10^{10}$ Гц $=60$ ГГц.  

Судя по шкале электромагнитных волн, волны с частотой 60 ГГц относятся только к радиоизлучению.

Ответ: 2

[свернуть]

11. Пользуясь шкалой электромагнитных волн, определите, к какому виду излучения относятся электромагнитные волны с частотой 100 ГГц.

1) к ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению
2) к радиоизлучению и инфракрасному излучению
3) только к рентгеновскому излучению
4) только к радиоизлучению

Нажмите, чтобы увидеть решение

Судя по шкале электромагнитных волн, волны с частотой 100 ГГц относятся только к радиоизлучению.

Ответ: 4

[свернуть]

12. На какую частоту нужно настроить радиоприемник, чтобы слушать радиостанцию, которая передает сигналы на длине волны 2,825 м? Ответ выразите в МГц

Нажмите, чтобы увидеть решение

Найдем частоту электромагнитной волны 

$\nu =\frac{c}{\lambda }$,  $\nu =\frac{3 \cdot 10^8}{2,825 } \approx 1  \cdot 10^{8}$ Гц $=100$ МГц.  

Ответ: 100 МГц.

[свернуть]

13. Какое физическое явление используется в работе радиолокатора – прибора, служащего для определения местоположения тел?

1) отражение электромагнитных волн
2) преломление электромагнитных волн
3) поглощение электромагнитных волн
4) дисперсия электромагнитных волн

Нажмите, чтобы увидеть решение

В радиолокации используется свойство волн отражаться от поверхностей.  

Ответ: 1

[свернуть]

14. Какая из цифр (1-5) соответствует на рисунке инфракрасному диапазону электромагнитных волн?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Инфракрасным волнам соответствует диапазон обозначенный цифрой 2.  

Ответ: 2

[свернуть]

15. На рисунке представлена шкала электромагнитных волн.

Используя данные шкалы, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Электромагнитные волны частотой 3·103 ГГц принадлежат только инфракрасному излучению.
2) Электромагнитные волны частотой 5·104 ГГц принадлежат инфракрасному излучению.
3) Гамма-лучи имеют наибольшую длину волны.
4) Электромагнитные волны длиной 1 м принадлежат радиоизлучению.
5) В вакууме ультрафиолетовое излучение имеет бóльшую скорость распространения по сравнению с видимым светом.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — неверно. Волны указанной частоты могут принадлежать либо радиоизлучению, либо инфракрасному излучению.

Утверждение 2 — верно. Судя по шкале электромагнитных волн, волны с указанной частотой относятся только к инфракрасному излучению.

Утверждение 3 — неверно. На шкале электромагнитные волны расположены в порядке убывания длины волны слева направо. Гамма-лучи имеют самую маленькую длину волны.

Утверждение 4 — верно. Найдем частоту электромагнитной волны: $\nu =\frac{c}{\lambda }$,  $\nu =\frac{3 \cdot 10^8}{1} = 3  \cdot 10^{8}$ Гц $=300$ МГц. Судя по шкале электромагнитных волн, волны с указанной частотой относятся только к радиоволнам.

Утверждение 5 — неверно. В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью, равной скорости света.  

Ответ: 24

[свернуть]

16. Пользуясь шкалой электромагнитных волн, определите, к какому виду излучения относятся электромагнитные волны с длиной волны   10−9 м.

1) только к радиоизлучению
2) только к рентгеновскому излучению
3) к радиоизлучению и инфракрасному излучению
4) к ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению

Нажмите, чтобы увидеть решение

Найдем частоту электромагнитной волны 

$\nu =\frac{c}{\lambda }$,  $\nu =\frac{3 \cdot 10^8}{10^{-9}} = 3  \cdot 10^{17}$ Гц $=3  \cdot 10^{8}$ ГГц.  

Судя по шкале электромагнитных волн, волны с указанной частотой относятся только к рентгеновскому излучению.

Ответ: 2

[свернуть]

17. На рисунке приведена шкала электромагнитных волн. Определите, к какому виду излучения относятся электромагнитные волны с частотой 5·103 ГГц.

1) только к радиоизлучению
2) только к рентгеновскому излучению
3) к радиоизлучению и инфракрасному излучению
4) к ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению

Нажмите, чтобы увидеть решение

Судя по шкале электромагнитных волн, волны с указанной частотой относятся либо к инфракрасному излучению, либо к радиоизлучению.

Ответ: 3

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Переменный электрический ток. Электромагнитные колебания и волны. Шкала электромагнитных волн (2717 Загрузок )