Elektromágneses hullámok, elektromágneses sugárzás, elektromágneses hullámok terjedése

1864-ben James Clerk Maxwell megjósolta az elektromágneses hullámok lehetőségét az űrben. Ezt az állítást az elektromosságról és a mágnesességről akkoriban ismert összes kísérleti adat elemzéséből levont következtetések alapján tette.

Maxwell matematikailag ötvözte az elektrodinamika törvényeit, összekapcsolva az elektromos és a mágneses jelenségeket, és így arra a következtetésre jutott, hogy az időben változó elektromos és mágneses mezők generálják egymást.

Kezdetben hangsúlyozta, hogy a mágneses és az elektromos jelenségek kapcsolata nem szimmetrikus, és bevezette az „örvényvillamos tér” kifejezést, saját, valóban új magyarázatot kínálva a Faraday által felfedezett elektromágneses indukció jelenségére: „a mágneses minden változása mező egy zárt erővonalú örvényvillamos tér megjelenéséhez vezet a környező térben”.

Maxwell szerint az ellenkező állítás is igaz, miszerint "a változó elektromos tér mágneses teret hoz létre a környező térben", de ez az állítás kezdetben csak hipotézis maradt.

Maxwell felírt egy matematikai egyenletrendszert, amely következetesen írja le a mágneses és elektromos mezők kölcsönös átalakulásának törvényeit, ezek az egyenletek később az elektrodinamika alapegyenleteivé váltak, és a nagy tudós tiszteletére „Maxwell-egyenleteknek” kezdték nevezni. aki írta. le őket. Maxwell hipotézise az írott egyenletek alapján számos, a tudomány és a technológia szempontjából rendkívül fontos következtetést tartalmaz, amelyeket az alábbiakban mutatunk be.

Elektromágneses hullámok léteznek

Keresztirányú elektromágneses hullámok létezhetnek a térben, amelyek idővel terjednek elektromágneses mező… A hullámok keresztirányú jellegét mutatja, hogy a B mágneses indukció és az E elektromos térerősség vektorai egymásra merőlegesek, és mindkettő az elektromágneses hullám terjedési irányára merőleges síkban fekszik.

Az elektromágneses hullámok véges sebességgel terjednek

Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége egy adott anyagban véges, és annak az anyagnak az elektromos és mágneses tulajdonságaitól függ, amelyen a hullám terjed. A λ szinuszos hullám hossza ebben az esetben a υ sebességhez kapcsolódik egy bizonyos λ = υ / f pontos aránnyal, és függ a térrezgések f frekvenciájától. Az elektromágneses hullám c sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó – a fény sebessége vákuumban.

Mivel Maxwell kijelentette, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége véges, ez ellentmondást teremtett hipotézise és az akkoriban elfogadott, nagy távolságokon történő cselekvéselmélet között, amely szerint a hullámok terjedési sebessége végtelen volt. Ezért Maxwell elméletét a rövid távú cselekvés elméletének nevezik.

Az elektromágneses hullám egy elektromos és mágneses mező, amelyek kölcsönösen átalakulnak egymásba.

Az elektromágneses hullámban az elektromos tér és a mágneses tér egymásba való átalakulása egyszerre megy végbe, ezért a mágneses és az elektromos energia térfogatsűrűsége megegyezik egymással, ezért igaz, hogy az elektromos tér modulusai Az elektromos térerősség és a mágneses tér indukciója a tér bármely pontján összefügg egymással az alábbi kapcsolaton keresztül:

Az elektromágneses hullámok energiát hordoznak

Az elektromágneses hullám a terjedése során elektromágneses energia áramlást hoz létre, és ha figyelembe vesszük a hullám terjedési irányára merőleges síkban lévő területet, akkor bizonyos mennyiségű elektromágneses energia fog áthaladni rajta. rövid idő. Az elektromágneses energia fluxussűrűsége az az energiamennyiség, amelyet egy elektromágneses hullám visz át a felületen egységnyi területen, egységnyi idő alatt. A sebesség, valamint a mágneses és elektromos energia értékeinek behelyettesítésével lehetőség nyílik a fluxussűrűség kifejezésére az E és B mennyiségekben.

Poynting vektor — a hullám energiaáramlásának vektora

Mivel a hullámenergia terjedési iránya egybeesik a hullám terjedési sebességének irányával, az elektromágneses hullámban terjedő energiaáramot a hullám terjedési sebességével megegyezően irányított vektor segítségével lehet beállítani. Ezt a vektort "Poynting-vektornak" nevezik - Henry Poynting brit fizikus tiszteletére, aki 1884-ben kidolgozta az elektromágneses mező energiaáramlásának terjedésének elméletét. A hullámenergia fluxussűrűségét W/m2-ben mérik.

Az elektromágneses hullámok olyan testekhez nyomódnak, amelyek visszaverik vagy elnyelik őket

Amikor elektromos tér hat egy anyagra, kis áramok jelennek meg benne, amelyek az elektromosan töltött részecskék rendezett mozgása. Ezek az áramok az elektromágneses hullám mágneses mezőjében az Amper-erő hatásának vannak kitéve, amely mélyen az anyagba irányul. Ennek eredményeként az Amper ereje nyomást generál.

Ezt a jelenséget később, 1900-ban Pjotr ​​Nyikolajevics Lebegyev orosz fizikus vizsgálta és empirikusan megerősítette, akinek kísérleti munkája nagyon fontos volt Maxwell elektromágnesesség-elméletének megerősítésében és a jövőbeni elfogadásában és jóváhagyásában.

Az a tény, hogy az elektromágneses hullám nyomást fejt ki, lehetővé teszi egy mechanikai impulzus jelenlétének becslését az elektromágneses térben, amelyet térfogategységenként az elektromágneses energia térfogatsűrűségével és a hullám vákuumban terjedési sebességével fejezhetünk ki:

Mivel az impulzus a tömeg mozgásához kapcsolódik, be lehet vezetni egy olyan fogalmat, mint az elektromágneses tömeg, majd egységnyi térfogatra ez az arány (az STR-nek megfelelően) egyetemes természettörvény jellegét veszi fel, és érvényes lesz. bármilyen anyagi testre, függetlenül az anyag formájától. Ekkor az elektromágneses tér hasonló egy anyagi testhez – W energiája, tömege m, impulzusa p és végsebessége v. Vagyis az elektromágneses tér a természetben ténylegesen létező anyagformák egyike.

Maxwell elméletének végső megerősítése

Először 1888-ban Heinrich Hertz kísérletileg megerősítette Maxwell elektromágneses elméletét. Empirikusan bizonyította az elektromágneses hullámok valóságát, és olyan tulajdonságaikat tanulmányozta, mint a fénytörés és abszorpció különböző közegekben, valamint a hullámok fémfelületekről való visszaverődése.

A Hertz hullámhosszt mér elektromágneses sugárzás, és megmutatta, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével. Hertz kísérleti munkája volt az utolsó lépés Maxwell elektromágneses elméletének elfogadása felé. Hét évvel később, 1895-ben Alekszandr Sztepanovics Popov orosz fizikus elektromágneses hullámokat használt a vezeték nélküli kommunikáció létrehozására.

Az elektromágneses hullámokat csak felgyorsult mozgó töltések gerjesztik

Az egyenáramú áramkörökben a töltések állandó sebességgel mozognak és az elektromágneses hullámok ebben az esetben nem kerülnek ki a térbe.Ahhoz, hogy legyen sugárzás, olyan antennát kell használni, amelyben a váltakozó áramok, azaz áramok amelyek gyorsan irányt változtatnak, izgatottak lettek volna.

A legegyszerűbb formájában egy kis méretű elektromos dipólus alkalmas elektromágneses hullámok sugárzására, ahol a dipólusmomentum időben gyorsan változna. Az ilyen dipólust ma "Hertzi-dipólnak" nevezik, amelynek mérete többszöröse az általa kibocsátott hullámhossznak.

Hertzi-dipólusból kibocsátva az elektromágneses energia maximális fluxusa a dipólus tengelyére merőleges síkra esik. A dipólus tengelye mentén nincs elektromágneses energia sugárzás. Hertz legfontosabb kísérleteiben elemi dipólusokat használtak elektromágneses hullámok kibocsátására és fogadására is, bizonyítva az elektromágneses hullámok létezését.