Elektromagnetiske bølger, elektromagnetisk stråling, forplantning av elektromagnetiske bølger

I 1864 forutså James Clerk Maxwell muligheten for elektromagnetiske bølger i verdensrommet. Han kom med denne påstanden på grunnlag av konklusjonene hentet fra analysen av alle eksperimentelle data kjent på den tiden angående elektrisitet og magnetisme.

Maxwell kombinerte matematisk elektrodynamikkens lover, koblet sammen elektriske og magnetiske fenomener, og kom dermed til den konklusjon at elektriske og magnetiske felt, som endres med tiden, genererer hverandre.

Innledningsvis understreket han det faktum at forholdet mellom magnetiske og elektriske fenomener ikke er symmetrisk og introduserte begrepet "eddy elektrisk felt", og ga sin egen, virkelig nye forklaring på fenomenet elektromagnetisk induksjon oppdaget av Faraday: "hver endring i det magnetiske" felt fører til utseendet i det omkringliggende rommet av et elektrisk virvelfelt med lukkede kraftlinjer”.

I følge Maxwell er det motsatte utsagnet om at "et skiftende elektrisk felt produserer et magnetisk felt i det omkringliggende rommet" også sant, men dette utsagnet forble i utgangspunktet bare en hypotese.

Maxwell skrev ned et system av matematiske ligninger som konsekvent beskriver lovene for gjensidig transformasjon av magnetiske og elektriske felt, disse ligningene ble senere de grunnleggende ligningene for elektrodynamikk og begynte å bli kalt "Maxwells ligninger" til ære for den store vitenskapsmannen. dem ned. Maxwells hypotese, basert på de skrevne ligningene, har flere konklusjoner som er ekstremt viktige for vitenskap og teknologi, som presenteres nedenfor.

Det finnes elektromagnetiske bølger

Tverrgående elektromagnetiske bølger kan eksistere i rommet som forplanter seg over tid elektromagnetisk felt… At bølgene er tverrgående vises ved at vektorene til den magnetiske induksjonen B og den elektriske feltstyrken E er gjensidig vinkelrett og begge ligger i planet vinkelrett på den elektromagnetiske bølgens utbredelsesretning.

Elektromagnetiske bølger forplanter seg med en begrenset hastighet

Forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger i et gitt stoff er begrenset og bestemmes av de elektriske og magnetiske egenskapene til stoffet som bølgen forplanter seg gjennom. Lengden på den sinusformede bølgen λ er i dette tilfellet relatert til hastigheten υ med et visst eksakt forhold λ = υ / f og avhenger av frekvensen f til feltsvingningene. Hastigheten c til en elektromagnetisk bølge i et vakuum er en av de grunnleggende fysiske konstantene - lysets hastighet i et vakuum.

Fordi Maxwell uttalte at forplantningshastigheten til en elektromagnetisk bølge var begrenset, skapte dette en motsetning mellom hypotesen hans og teorien om handling på lange avstander som var akseptert på den tiden, ifølge hvilken forplantningshastigheten til bølger skulle være uendelig. Derfor kalles Maxwells teori teorien om kortdistansehandling.

En elektromagnetisk bølge er et elektrisk og magnetisk felt som gjensidig forvandles til hverandre.

I den elektromagnetiske bølgen skjer transformasjonen av det elektriske feltet og det magnetiske feltet til hverandre samtidig, derfor er volumtetthetene til den magnetiske og elektriske energien lik hverandre. Derfor er det sant at modulene til elektrisk feltstyrke og magnetfeltinduksjonen er relatert til hverandre på et hvilket som helst punkt i rommet gjennom følgende forbindelse:

Elektromagnetiske bølger bærer energi

En elektromagnetisk bølge i ferd med å forplante seg skaper en strøm av elektromagnetisk energi, og hvis vi tar hensyn til området i planet vinkelrett på bølgens forplantningsretning, vil en viss mengde elektromagnetisk energi bevege seg gjennom den i en kort tid. Elektromagnetisk energiflukstetthet er mengden energi som bæres av en elektromagnetisk bølge over en overflate per arealenhet per tidsenhet. Ved å erstatte verdiene til hastigheten, samt magnetisk og elektrisk energi, er det mulig å få et uttrykk for flukstettheten i form av mengdene E og B.

Poynting vektor — vektor for energistrømmen til bølgen

Siden forplantningsretningen til bølgeenergien sammenfaller med retningen til bølgens forplantningshastighet, kan energistrømmen som forplanter seg i den elektromagnetiske bølgen settes ved hjelp av en vektor rettet på samme måte som bølgens forplantningshastighet. Denne vektoren kalles «Poynting-vektoren» — til ære for den britiske fysikeren Henry Poynting, som i 1884 utviklet teorien om forplantningen av energistrømmen til et elektromagnetisk felt. Bølgeenergiflukstetthet måles i W/m2.

Elektromagnetiske bølger presser mot kropper som reflekterer eller absorberer dem

Når et elektrisk felt virker på et stoff, oppstår det små strømmer i det, som er den ordnede bevegelsen av elektrisk ladede partikler. Disse strømmene i magnetfeltet til en elektromagnetisk bølge blir utsatt for virkningen av Ampere-kraften, som er rettet dypt inn i stoffet. Som et resultat genererer Amperes kraft press.

Dette fenomenet ble senere, i 1900, undersøkt og bekreftet empirisk av den russiske fysikeren Pyotr Nikolayevich Lebedev, hvis eksperimentelle arbeid var svært viktig for å bekrefte Maxwells teori om elektromagnetisme og dens aksept og godkjenning i fremtiden.

Det faktum at den elektromagnetiske bølgen utøver trykk gjør det mulig å estimere tilstedeværelsen av en mekanisk impuls i det elektromagnetiske feltet, som kan uttrykkes per volumenhet ved den volumetriske tettheten av elektromagnetisk energi og hastigheten på bølgens forplantning i et vakuum:

Siden momentum er relatert til massebevegelse, er det mulig å introdusere et slikt konsept som elektromagnetisk masse, og for en enhetsvolum vil dette forholdet (i samsvar med STR) anta karakteren av en universell naturlov og vil være gyldig for alle materielle kropper uavhengig av stoffets form. Da ligner det elektromagnetiske feltet på et materielllegeme - det har energi W, masse m, momentum p og terminalhastighet v. Det vil si at det elektromagnetiske feltet er en av de formene for materie som faktisk eksisterer i naturen.

Endelig bekreftelse av Maxwells teori

For første gang i 1888 bekreftet Heinrich Hertz eksperimentelt Maxwells elektromagnetiske teori. Han beviste empirisk realiteten til elektromagnetiske bølger og studerte deres egenskaper som brytning og absorpsjon i ulike medier, samt refleksjon av bølger fra metalloverflater.

Hertz måler bølgelengden elektromagnetisk stråling, og viste at forplantningshastigheten til en elektromagnetisk bølge er lik lysets hastighet. Hertz sitt eksperimentelle arbeid var det siste skrittet mot aksept av Maxwells elektromagnetiske teori. Syv år senere, i 1895, brukte den russiske fysikeren Alexander Stepanovich Popov elektromagnetiske bølger for å skape trådløs kommunikasjon.

Elektromagnetiske bølger eksiteres bare av akselererte bevegelige ladninger

I likestrømkretser beveger ladningene seg med konstant hastighet og de elektromagnetiske bølgene sendes i dette tilfellet ikke ut i verdensrommet.For at det skal være stråling er det nødvendig å bruke en antenne der vekselstrømmene, det vil si strømmer som raskt endret retning, ville bli begeistret.

I sin enkleste form er en elektrisk dipol av liten størrelse egnet til å utstråle elektromagnetiske bølger der dipolmomentet ville endre seg raskt med tiden. En slik dipol kalles i dag en "hertzisk dipol", hvis størrelse er flere ganger mindre enn bølgelengden den sender ut.

Når den sendes ut fra en hertzisk dipol, faller den maksimale fluksen av elektromagnetisk energi på et plan vinkelrett på dipolens akse. Det er ingen stråling av elektromagnetisk energi langs dipolens akse. I Hertz sine viktigste eksperimenter ble elementære dipoler brukt til å både sende ut og motta elektromagnetiske bølger, noe som beviser eksistensen av elektromagnetiske bølger.