Elektromagnetiska vågor, elektromagnetisk strålning, utbredning av elektromagnetiska vågor

År 1864 förutspådde James Clerk Maxwell möjligheten av elektromagnetiska vågor i rymden. Han gjorde detta påstående på grundval av slutsatserna från analysen av alla experimentella data som var kända vid den tiden om elektricitet och magnetism.

Maxwell kombinerade matematiskt elektrodynamikens lagar, kopplade samman elektriska och magnetiska fenomen, och kom därmed fram till att elektriska och magnetiska fält, som förändras med tiden, genererar varandra.

Inledningsvis betonade han det faktum att förhållandet mellan magnetiska och elektriska fenomen inte är symmetriska och introducerade termen "elektriskt virvelfält", som erbjuder sin egen, helt nya förklaring av fenomenet elektromagnetisk induktion som upptäcktes av Faraday: "varje förändring i det magnetiska fältet" fält leder till uppkomsten i det omgivande rummet av ett virvelelektriskt fält med slutna kraftlinjer”.

Enligt Maxwell är det motsatta påståendet att "ett föränderligt elektriskt fält producerar ett magnetfält i det omgivande rymden" också sant, men detta påstående förblev till en början bara en hypotes.

Maxwell skrev ner ett system av matematiska ekvationer som konsekvent beskriver lagarna för ömsesidiga transformationer av de magnetiska och elektriska fälten, dessa ekvationer blev senare elektrodynamikens grundläggande ekvationer och började kallas "Maxwells ekvationer" för att hedra den store vetenskapsmannen som skrev dem ner. Maxwells hypotes, baserad på de skrivna ekvationerna, har flera slutsatser som är oerhört viktiga för vetenskap och teknik, vilka presenteras nedan.

Det finns elektromagnetiska vågor

Tvärgående elektromagnetiska vågor kan existera i rymden som fortplantar sig över tiden elektromagnetiskt fält… Det faktum att vågorna är tvärgående visas av det faktum att vektorerna för den magnetiska induktionen B och den elektriska fältstyrkan E är ömsesidigt vinkelräta och båda ligger i planet vinkelrätt mot den elektromagnetiska vågens utbredningsriktning.

Elektromagnetiska vågor utbreder sig med en begränsad hastighet

Utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor i ett givet ämne är ändlig och bestäms av de elektriska och magnetiska egenskaperna hos det ämne genom vilket vågen utbreder sig. Längden på den sinusformade vågen λ är i detta fall relaterad till hastigheten υ med ett visst exakt förhållande λ = υ / f och beror på frekvensen f för fältsvängningarna. Hastigheten c för en elektromagnetisk våg i ett vakuum är en av de grundläggande fysiska konstanterna - ljusets hastighet i ett vakuum.

Eftersom Maxwell konstaterade att utbredningshastigheten för en elektromagnetisk våg var ändlig skapade detta en motsägelse mellan hans hypotes och den då accepterade teorin om verkan på långa avstånd, enligt vilken utbredningshastigheten för vågor var tänkt att vara oändlig. Därför kallas Maxwells teori teorin om kortdistanshandling.

En elektromagnetisk våg är ett elektriskt och magnetiskt fält som omvandlas till varandra.

I den elektromagnetiska vågen sker omvandlingen av det elektriska fältet och det magnetiska fältet till varandra samtidigt, därför är volymdensiteterna för den magnetiska och elektriska energin lika med varandra. Därför är det sant att modulerna för den elektriska fältstyrkan och magnetfältsinduktionen är relaterade till varandra när som helst i rymden genom följande anslutning:

Elektromagnetiska vågor bär energi

En elektromagnetisk våg under sin utbredning skapar ett flöde av elektromagnetisk energi, och om vi tar hänsyn till området i planet vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning, kommer en viss mängd elektromagnetisk energi att röra sig genom den i en kort tid. Elektromagnetisk energiflödestäthet är mängden energi som bärs av en elektromagnetisk våg över en yta per ytenhet per tidsenhet. Genom att ersätta värdena för hastigheten, såväl som den magnetiska och elektriska energin, är det möjligt att få ett uttryck för flödestätheten i termer av storheterna E och B.

Poynting vektor — vektor av energiflödet av vågen

Eftersom utbredningsriktningen för vågenergin sammanfaller med riktningen för vågens utbredningshastighet, kan energiflödet som utbreder sig i den elektromagnetiska vågen ställas in med hjälp av en vektor riktad på samma sätt som utbredningshastigheten för vågen. Denna vektor kallas "Poynting-vektorn" - för att hedra den brittiska fysikern Henry Poynting, som 1884 utvecklade teorin om utbredningen av energiflödet i ett elektromagnetiskt fält. Vågenergiflödestätheten mäts i W/m2.

Elektromagnetiska vågor trycker mot kroppar som reflekterar eller absorberar dem

När ett elektriskt fält verkar på ett ämne uppstår små strömmar i det, som är den ordnade rörelsen av elektriskt laddade partiklar. Dessa strömmar i magnetfältet hos en elektromagnetisk våg utsätts för verkan av Amperekraften, som riktas djupt in i ämnet. Som ett resultat genererar Amperes kraft tryck.

Detta fenomen undersöktes och bekräftades senare, 1900, empiriskt av den ryske fysikern Pjotr ​​Nikolajevitj Lebedev, vars experimentella arbete var mycket viktigt för att bekräfta Maxwells teori om elektromagnetism och dess acceptans och godkännande i framtiden.

Det faktum att den elektromagnetiska vågen utövar tryck gör det möjligt att uppskatta närvaron av en mekanisk impuls i det elektromagnetiska fältet, som kan uttryckas per volymenhet av den elektromagnetiska energins volymtäthet och utbredningshastigheten för vågen i ett vakuum:

Eftersom momentum är relaterat till massans rörelse är det möjligt att införa ett sådant koncept som elektromagnetisk massa, och för en enhetsvolym kommer detta förhållande (i enlighet med STR) att anta karaktären av en universell naturlag och kommer att vara giltigt för alla materiella kroppar oavsett materiens form. Då liknar det elektromagnetiska fältet en materialkropp - det har energi W, massa m, rörelsemängd p och terminalhastighet v. Det vill säga, det elektromagnetiska fältet är en av de former av materia som faktiskt finns i naturen.

Slutlig bekräftelse av Maxwells teori

För första gången 1888 bekräftade Heinrich Hertz experimentellt Maxwells elektromagnetiska teori. Han bevisade empiriskt verkligheten av elektromagnetiska vågor och studerade deras egenskaper såsom brytning och absorption i olika medier, samt reflektion av vågor från metallytor.

Hertz mäter våglängd elektromagnetisk strålning, och visade att utbredningshastigheten för en elektromagnetisk våg är lika med ljusets hastighet. Hertz experimentella arbete var det sista steget mot acceptans av Maxwells elektromagnetiska teori. Sju år senare, 1895, använde den ryske fysikern Alexander Stepanovich Popov elektromagnetiska vågor för att skapa trådlös kommunikation.

Elektromagnetiska vågor exciteras endast av accelererade rörliga laddningar

I likströmskretsar rör sig laddningarna med konstant hastighet och de elektromagnetiska vågorna sänds i detta fall inte ut i rymden.För att det ska finnas strålning är det nödvändigt att använda en antenn där växelströmmarna, det vill säga strömmar som snabbt ändrade riktning, skulle bli upphetsade.

I sin enklaste form är en elektrisk dipol av liten storlek lämplig för att utstråla elektromagnetiska vågor där dipolmomentet skulle förändras snabbt med tiden. En sådan dipol kallas idag en "hertzisk dipol" vars storlek är flera gånger mindre än våglängden den avger.

När det emitteras från en hertzisk dipol, faller det maximala flödet av elektromagnetisk energi på ett plan vinkelrätt mot dipolens axel. Det finns ingen strålning av elektromagnetisk energi längs dipolens axel. I Hertz viktigaste experiment användes elementära dipoler för att både sända ut och ta emot elektromagnetiska vågor, vilket bevisade förekomsten av elektromagnetiska vågor.