Elektromagnetinės bangos, elektromagnetinė spinduliuotė, elektromagnetinių bangų sklidimas

1864 metais Jamesas Clerkas Maxwellas numatė elektromagnetinių bangų galimybę kosmose. Šį teiginį jis pateikė remdamasis išvadomis, padarytomis išanalizavus visus tuo metu žinomus eksperimentinius duomenis apie elektrą ir magnetizmą.

Maksvelas matematiškai sujungė elektrodinamikos dėsnius, jungiančius elektrinius ir magnetinius reiškinius, ir taip priėjo prie išvados, kad laikui bėgant kintantys elektriniai ir magnetiniai laukai generuoja vienas kitą.

Iš pradžių jis pabrėžė faktą, kad magnetinių ir elektrinių reiškinių santykis nėra simetriškas ir įvedė terminą „sūkurinis elektrinis laukas“, siūlydamas savo, tikrai naują Faradėjaus atrasto elektromagnetinės indukcijos reiškinio paaiškinimą: „kiekvienas magnetinio pokytis. laukas veda prie to, kad aplinkinėje erdvėje atsiranda sūkurinis elektrinis laukas su uždaromis jėgos linijomis“.

Maksvelo teigimu, teisingas ir priešingas teiginys, kad „kintantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką supančioje erdvėje“, tačiau šis teiginys iš pradžių liko tik hipoteze.

Maksvelas surašė matematinių lygčių sistemą, kuri nuosekliai aprašo magnetinio ir elektrinio laukų tarpusavio virsmų dėsnius, šios lygtys vėliau tapo pagrindinėmis elektrodinamikos lygtimis ir pradėtos vadinti „Maksvelo lygtimis“ didžiojo mokslininko garbei.kuris rašė. juos žemyn. Maksvelo hipotezė, pagrįsta parašytomis lygtimis, turi keletą mokslui ir technologijoms itin svarbių išvadų, kurios pateikiamos žemiau.

Elektromagnetinės bangos egzistuoja

Erdvėje gali egzistuoti skersinės elektromagnetinės bangos, kurios sklinda laikui bėgant elektromagnetinis laukas… Tai, kad bangos yra skersinės, rodo tai, kad magnetinės indukcijos B ir elektrinio lauko stiprio E vektoriai yra vienas kitam statmeni ir abu yra plokštumoje, statmenoje elektromagnetinės bangos sklidimo krypčiai.

Elektromagnetinės bangos sklinda ribotu greičiu

Elektromagnetinių bangų sklidimo greitis tam tikroje medžiagoje yra baigtinis ir jį lemia medžiagos, kuria banga sklinda, elektrinės ir magnetinės savybės. Sinusinės bangos ilgis λ šiuo atveju yra susijęs su greičiu υ su tam tikru tiksliu santykiu λ = υ / f ir priklauso nuo lauko virpesių dažnio f. Elektromagnetinės bangos greitis vakuume yra viena iš pagrindinių fizinių konstantų – šviesos greitis vakuume.

Kadangi Maksvelas teigė, kad elektromagnetinės bangos sklidimo greitis yra baigtinis, tai sukėlė prieštaravimą tarp jo hipotezės ir tuo metu priimtos veikimo dideliais atstumais teorijos, pagal kurią bangų sklidimo greitis turėjo būti begalinis. Todėl Maksvelo teorija vadinama trumpojo nuotolio veiksmų teorija.

Elektromagnetinė banga yra elektrinis ir magnetinis laukas, kurie tarpusavyje transformuojasi vienas į kitą.

Elektromagnetinėje bangoje elektrinis laukas ir magnetinis laukas virsta vienas į kitą vienu metu, todėl magnetinės ir elektros energijos tūrio tankiai yra lygūs, todėl tiesa, elektrinio lauko stiprumas ir magnetinio lauko indukcija yra tarpusavyje susiję bet kuriame erdvės taške tokiu ryšiu:

Elektromagnetinės bangos neša energiją

Elektromagnetinė banga sklidimo procese sukuria elektromagnetinės energijos srautą, o jei atsižvelgsime į plotą plokštumoje, statmenoje bangos sklidimo krypčiai, tada per ją judės tam tikras elektromagnetinės energijos kiekis. trumpą laiką. Elektromagnetinės energijos srauto tankis yra energijos kiekis, kurį elektromagnetinė banga perneša per paviršių ploto vienetui per laiko vienetą. Pakeitus greičio reikšmes, taip pat magnetinę ir elektros energiją, galima gauti srauto tankio išraišką dydžiais E ir B.

Pointingo vektorius – bangos energijos srauto vektorius

Kadangi bangos energijos sklidimo kryptis sutampa su bangos sklidimo greičio kryptimi, elektromagnetine banga sklindantį energijos srautą galima nustatyti naudojant vektorių, nukreiptą taip pat, kaip ir bangos sklidimo greitį. Šis vektorius vadinamas „Poynting vektoriumi“ - britų fiziko Henry Poyntingo, kuris 1884 m. sukūrė elektromagnetinio lauko energijos srauto sklidimo teoriją, garbei. Bangos energijos srauto tankis matuojamas W/m2.

Elektromagnetinės bangos spaudžia kūnus, kurie juos atspindi arba sugeria

Kai medžiagą veikia elektrinis laukas, joje atsiranda mažos srovės, kurios yra tvarkingas elektriškai įkrautų dalelių judėjimas. Šias sroves elektromagnetinės bangos magnetiniame lauke veikia Ampero jėga, nukreipta giliai į medžiagą. Dėl to Ampero jėga sukuria slėgį.

Šį reiškinį vėliau, 1900 m., ištyrė ir empiriškai patvirtino rusų fizikas Piotras Nikolajevičius Lebedevas, kurio eksperimentiniai darbai buvo labai svarbūs patvirtinant Maksvelo elektromagnetizmo teoriją ir ją priimant bei patvirtinant ateityje.

Tai, kad elektromagnetinė banga daro slėgį, leidžia įvertinti mechaninio impulso buvimą elektromagnetiniame lauke, kuris tūrio vienetui gali būti išreikštas elektromagnetinės energijos tūriniu tankiu ir bangos sklidimo greičiu vakuume:

Kadangi impulsas yra susijęs su masės judėjimu, galima įvesti tokią sąvoką kaip elektromagnetinė masė, tada tūrio vienetui šis santykis (pagal STR) įgis universalaus gamtos dėsnio pobūdį ir galios. bet kokiems materialiems kūnams nepriklausomai nuo materijos formos. Tada elektromagnetinis laukas yra panašus į materialų kūną - jo energija W, masė m, impulsas p ir galinis greitis v. Tai yra, elektromagnetinis laukas yra viena iš faktiškai gamtoje egzistuojančių materijos formų.

Galutinis Maksvelo teorijos patvirtinimas

Pirmą kartą 1888 m. Heinrichas Hertzas eksperimentiškai patvirtino Maksvelo elektromagnetinę teoriją. Jis empiriškai įrodė elektromagnetinių bangų tikrovę ir tyrė jų savybes, tokias kaip refrakcija ir sugertis įvairiose terpėse, taip pat bangų atspindys nuo metalinių paviršių.

Hercas matuoja bangos ilgį elektromagnetinė radiacija, ir parodė, kad elektromagnetinės bangos sklidimo greitis yra lygus šviesos greičiui. Hertzo eksperimentinis darbas buvo paskutinis žingsnis link Maksvelo elektromagnetinės teorijos priėmimo. Po septynerių metų, 1895 m., Rusijos fizikas Aleksandras Stepanovičius Popovas panaudojo elektromagnetines bangas, kad sukurtų belaidį ryšį.

Elektromagnetines bangas sužadina tik pagreitinti judantys krūviai

Nuolatinės srovės grandinėse krūviai juda pastoviu greičiu ir elektromagnetinės bangos tokiu atveju nespinduliuoja į erdvę.Kad būtų spinduliuotė, reikia naudoti anteną, kurioje kintamosios srovės, tai yra srovės kurie greitai pakeis savo kryptį, susijaudintų.

Paprasčiausia mažo dydžio elektrinis dipolis yra tinkamas elektromagnetinėms bangoms skleisti, kur dipolio momentas laikui bėgant greitai keistųsi. Toks dipolis šiandien vadinamas „Hercio dipoliu“, kurio dydis kelis kartus mažesnis už jo skleidžiamą bangos ilgį.

Išspinduliuojant iš Herco dipolio, didžiausias elektromagnetinės energijos srautas patenka į plokštumą, statmeną dipolio ašiai. Išilgai dipolio ašies nėra elektromagnetinės energijos spinduliavimo. Svarbiausiuose Hertzo eksperimentuose elementarieji dipoliai buvo naudojami elektromagnetinėms bangoms skleisti ir priimti, taip įrodant elektromagnetinių bangų egzistavimą.