Elektromagnetiske bølger, elektromagnetisk stråling, udbredelse af elektromagnetiske bølger

I 1864 forudsagde James Clerk Maxwell muligheden for elektromagnetiske bølger i rummet. Han fremsatte denne påstand på grundlag af konklusionerne afledt af analysen af ​​alle de eksperimentelle data kendt på det tidspunkt vedrørende elektricitet og magnetisme.

Maxwell kombinerede matematisk elektrodynamikkens love, der forbinder elektriske og magnetiske fænomener, og kom dermed til den konklusion, at elektriske og magnetiske felter, som ændrer sig med tiden, genererer hinanden.

Indledningsvis understregede han det faktum, at forholdet mellem magnetiske og elektriske fænomener ikke er symmetriske og introducerede udtrykket "elektrisk hvirvelfelt", der tilbyder sin egen, virkelig nye forklaring på fænomenet elektromagnetisk induktion opdaget af Faraday: "hver ændring i det magnetiske felt" felt fører til fremkomsten i det omgivende rum af et elektrisk hvirvelfelt med lukkede kraftlinjer”.

Ifølge Maxwell er det modsatte udsagn om, at "et skiftende elektrisk felt producerer et magnetisk felt i det omgivende rum" også sandt, men dette udsagn forblev oprindeligt kun en hypotese.

Maxwell nedskrev et system af matematiske ligninger, der konsekvent beskriver lovene for gensidige transformationer af de magnetiske og elektriske felter, disse ligninger blev senere elektrodynamikkens grundlæggende ligninger og begyndte at blive kaldt "Maxwells ligninger" til ære for den store videnskabsmand. dem ned. Maxwells hypotese, baseret på de skrevne ligninger, har flere konklusioner, der er ekstremt vigtige for videnskab og teknologi, som præsenteres nedenfor.

Der findes elektromagnetiske bølger

Tværgående elektromagnetiske bølger kan eksistere i rummet, der forplanter sig over tid elektromagnetisk felt… At bølgerne er tværgående vises ved, at vektorerne for den magnetiske induktion B og den elektriske feltstyrke E er indbyrdes vinkelrette og begge ligger i planet vinkelret på den elektromagnetiske bølges udbredelsesretning.

Elektromagnetiske bølger forplanter sig med en endelig hastighed

Udbredelseshastigheden af ​​elektromagnetiske bølger i et givet stof er begrænset og bestemmes af de elektriske og magnetiske egenskaber af det stof, som bølgen udbreder sig igennem. Længden af ​​den sinusformede bølge λ er i dette tilfælde relateret til hastigheden υ med et bestemt nøjagtigt forhold λ = υ / f og afhænger af frekvensen f af feltoscillationerne. Hastigheden c af en elektromagnetisk bølge i et vakuum er en af ​​de grundlæggende fysiske konstanter - lysets hastighed i et vakuum.

Fordi Maxwell udtalte, at udbredelseshastigheden af ​​en elektromagnetisk bølge var begrænset, skabte dette en modsætning mellem hans hypotese og teorien om handling på lange afstande, som var accepteret på det tidspunkt, ifølge hvilken udbredelseshastigheden af ​​bølger skulle være uendelig. Derfor kaldes Maxwells teori teorien om kortdistancehandling.

En elektromagnetisk bølge er et elektrisk og magnetisk felt, der gensidigt omdannes til hinanden.

I den elektromagnetiske bølge sker omdannelsen af ​​det elektriske felt og det magnetiske felt til hinanden på samme tid, derfor er volumentætheden af ​​den magnetiske og elektriske energi lig med hinanden. Derfor er det rigtigt, at modulerne for elektrisk feltstyrke og magnetfeltinduktionen er relateret til hinanden er på ethvert punkt i rummet gennem følgende forbindelse:

Elektromagnetiske bølger bærer energi

En elektromagnetisk bølge i processen med sin udbredelse skaber en strøm af elektromagnetisk energi, og hvis vi tager højde for området i planet vinkelret på bølgens udbredelsesretning, vil en vis mængde elektromagnetisk energi bevæge sig gennem den i en kort tid. Elektromagnetisk energifluxtæthed er mængden af ​​energi, der bæres af en elektromagnetisk bølge over en overflade pr. arealenhed pr. tidsenhed. Ved at erstatte værdierne af hastigheden samt den magnetiske og elektriske energi er det muligt at få et udtryk for fluxtætheden i form af størrelserne E og B.

Poynting-vektor — vektor af bølgens energistrøm

Da bølgeenergiens udbredelsesretning falder sammen med retningen af ​​bølgens udbredelseshastighed, kan energistrømmen, der udbreder sig i den elektromagnetiske bølge, indstilles ved hjælp af en vektor rettet på samme måde som bølgens udbredelseshastighed. Denne vektor kaldes «Poynting-vektoren» - til ære for den britiske fysiker Henry Poynting, som i 1884 udviklede teorien om udbredelsen af ​​energistrømmen af ​​et elektromagnetisk felt. Bølgeenergifluxtæthed måles i W/m2.

Elektromagnetiske bølger presser mod kroppe, der reflekterer eller absorberer dem

Når et elektrisk felt virker på et stof, opstår der små strømme i det, som er den ordnede bevægelse af elektrisk ladede partikler. Disse strømme i magnetfeltet i en elektromagnetisk bølge udsættes for virkningen af ​​Ampere-kraften, som er rettet dybt ind i stoffet. Som et resultat genererer Amperes kraft pres.

Dette fænomen blev senere, i 1900, undersøgt og bekræftet empirisk af den russiske fysiker Pyotr Nikolayevich Lebedev, hvis eksperimentelle arbejde var meget vigtigt for at bekræfte Maxwells teori om elektromagnetisme og dens accept og godkendelse i fremtiden.

Det faktum, at den elektromagnetiske bølge udøver tryk, gør det muligt at estimere tilstedeværelsen af ​​en mekanisk impuls i det elektromagnetiske felt, som kan udtrykkes pr. volumenhed ved den volumetriske tæthed af elektromagnetisk energi og bølgens udbredelseshastighed i et vakuum:

Da momentum er relateret til massens bevægelse, er det muligt at indføre et sådant begreb som elektromagnetisk masse, og for en enhedsvolumen vil dette forhold (i overensstemmelse med STR) antage karakteren af ​​en universel naturlov og vil være gyldigt for alle materielle legemer uanset stoffets form. Så ligner det elektromagnetiske felt et materialelegeme - det har energi W, masse m, momentum p og terminalhastighed v. Det vil sige, at det elektromagnetiske felt er en af ​​de former for stof, der faktisk findes i naturen.

Endelig bekræftelse af Maxwells teori

For første gang i 1888 bekræftede Heinrich Hertz eksperimentelt Maxwells elektromagnetiske teori. Han beviste empirisk virkeligheden af ​​elektromagnetiske bølger og studerede deres egenskaber såsom brydning og absorption i forskellige medier, såvel som refleksionen af ​​bølger fra metaloverflader.

Hertz måler bølgelængde elektromagnetisk stråling, og viste, at udbredelseshastigheden af ​​en elektromagnetisk bølge er lig med lysets hastighed. Hertz' eksperimentelle arbejde var det sidste skridt mod accept af Maxwells elektromagnetiske teori. Syv år senere, i 1895, brugte den russiske fysiker Alexander Stepanovich Popov elektromagnetiske bølger til at skabe trådløs kommunikation.

Elektromagnetiske bølger exciteres kun af accelererede bevægelige ladninger

I jævnstrømskredsløb bevæger ladningerne sig med konstant hastighed, og de elektromagnetiske bølger udsendes i dette tilfælde ikke ud i rummet.For at der skal være stråling, er det nødvendigt at bruge en antenne, hvori vekselstrømmene, det vil sige strømme der hurtigt ændrede deres retning, ville blive begejstrede.

I sin enkleste form er en elektrisk dipol af lille størrelse velegnet til at udstråle elektromagnetiske bølger, hvor dipolmomentet ville ændre sig hurtigt med tiden. En sådan dipol kaldes i dag for en "Hertzian-dipol", hvis størrelse er flere gange mindre end den bølgelængde, den udsender.

Når den udsendes fra en hertzisk dipol, falder den maksimale flux af elektromagnetisk energi på et plan vinkelret på dipolens akse. Der er ingen stråling af elektromagnetisk energi langs dipolens akse. I Hertz' vigtigste eksperimenter blev elementære dipoler brugt til både at udsende og modtage elektromagnetiske bølger, hvilket beviser eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger.