Elektromagnētiskie viļņi, elektromagnētiskais starojums, elektromagnētisko viļņu izplatīšanās

1864. gadā Džeimss Klerks Maksvels paredzēja elektromagnētisko viļņu iespējamību kosmosā. Viņš izvirzīja šo apgalvojumu, pamatojoties uz secinājumiem, kas iegūti, analizējot visus tajā laikā zināmos eksperimentālos datus par elektrību un magnētismu.

Maksvels matemātiski apvienoja elektrodinamikas likumus, savienojot elektriskās un magnētiskās parādības, un tādējādi nonāca pie secinājuma, ka elektriskie un magnētiskie lauki, kas laika gaitā mainās, ģenerē viens otru.

Sākotnēji viņš uzsvēra faktu, ka attiecības starp magnētiskajām un elektriskajām parādībām nav simetriskas, un ieviesa terminu "virpuļveida elektriskais lauks", piedāvājot savu, patiesi jaunu Faradeja atklātās elektromagnētiskās indukcijas fenomena skaidrojumu: "katras izmaiņas magnētiskajā jomā. lauks noved pie tā, ka apkārtējā telpā parādās virpuļelektriskais lauks ar slēgtām spēka līnijām”.

Pēc Maksvela domām, ir patiess arī pretējs apgalvojums, ka "mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku apkārtējā telpā", taču šis apgalvojums sākotnēji palika tikai hipotēze.

Maksvels pierakstīja matemātisko vienādojumu sistēmu, kas konsekventi apraksta magnētiskā un elektriskā lauka savstarpējo pārveidojumu likumus, šie vienādojumi vēlāk kļuva par elektrodinamikas pamatvienādojumiem un sāka saukt par "Maksvela vienādojumiem" par godu lielajam zinātniekam. kurš rakstīja. tos uz leju. Maksvela hipotēzei, kas balstīta uz rakstītajiem vienādojumiem, ir vairāki zinātnei un tehnoloģijai ārkārtīgi svarīgi secinājumi, kas ir izklāstīti tālāk.

Elektromagnētiskie viļņi pastāv

Telpā var pastāvēt šķērsvirziena elektromagnētiskie viļņi, kas laika gaitā izplatās elektromagnētiskais lauks… To, ka viļņi ir šķērseniski, parāda fakts, ka magnētiskās indukcijas B un elektriskā lauka intensitātes E vektori ir savstarpēji perpendikulāri un abi atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās virzienam.

Elektromagnētiskie viļņi izplatās ar ierobežotu ātrumu

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums noteiktā vielā ir ierobežots, un to nosaka vielas elektriskās un magnētiskās īpašības, caur kurām izplatās vilnis. Sinusoidālā viļņa garums λ šajā gadījumā ir saistīts ar ātrumu υ ar noteiktu precīzu attiecību λ = υ / f un ir atkarīgs no lauka svārstību frekvences f. Elektromagnētiskā viļņa ātrums c vakuumā ir viena no galvenajām fizikālajām konstantēm — gaismas ātrums vakuumā.

Tā kā Maksvels apgalvoja, ka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir ierobežots, tas radīja pretrunu starp viņa hipotēzi un tolaik pieņemto darbības teoriju lielos attālumos, saskaņā ar kuru viļņu izplatīšanās ātrumam bija jābūt bezgalīgam. Tāpēc Maksvela teoriju sauc par īstermiņa darbības teoriju.

Elektromagnētiskais vilnis ir elektriskais un magnētiskais lauks, kas savstarpēji pārvēršas viens otrā.

Elektromagnētiskajā vilnī elektriskā lauka un magnētiskā lauka transformācija viens otrā notiek vienlaicīgi, tāpēc magnētiskās un elektriskās enerģijas tilpuma blīvumi ir vienādi, tāpēc ir taisnība, ka magnētiskā lauka moduļi ir vienādi. elektriskā lauka stiprums un magnētiskā lauka indukcija ir savstarpēji saistīti jebkurā telpas punktā, izmantojot šādu savienojumu:

Elektromagnētiskie viļņi nes enerģiju

Elektromagnētiskais vilnis tā izplatīšanās procesā rada elektromagnētiskās enerģijas plūsmu, un, ja ņemam vērā laukumu plaknē, kas ir perpendikulāra viļņa izplatīšanās virzienam, tad pa to pārvietosies noteikts daudzums elektromagnētiskās enerģijas. īss laiks. Elektromagnētiskās enerģijas plūsmas blīvums ir enerģijas daudzums, ko elektromagnētiskais vilnis pārnes pa virsmu uz laukuma vienību laika vienībā. Aizvietojot ātruma vērtības, kā arī magnētisko un elektrisko enerģiju, ir iespējams iegūt plūsmas blīvuma izteiksmi lielumu E un B izteiksmē.

Pointinga vektors — viļņa enerģijas plūsmas vektors

Tā kā viļņa enerģijas izplatīšanās virziens sakrīt ar viļņa izplatīšanās ātruma virzienu, enerģijas plūsmu, kas izplatās elektromagnētiskajā vilnī, var iestatīt, izmantojot vektoru, kas virzīts tāpat kā viļņa izplatīšanās ātrums. Šo vektoru sauc par "Pointing vektoru" — par godu britu fiziķim Henrijam Pointingam, kurš 1884. gadā izstrādāja elektromagnētiskā lauka enerģijas plūsmas izplatīšanās teoriju. Viļņu enerģijas plūsmas blīvumu mēra W/m2.

Elektromagnētiskie viļņi spiež pret ķermeņiem, kas tos atspoguļo vai absorbē

Kad vielu iedarbojas elektriskais lauks, tajā parādās nelielas strāvas, kas ir elektriski lādētu daļiņu sakārtota kustība. Šīs strāvas elektromagnētiskā viļņa magnētiskajā laukā tiek pakļautas ampēra spēka iedarbībai, kas tiek virzīts dziļi vielā. Rezultātā Ampera spēks rada spiedienu.

Šo fenomenu vēlāk, 1900. gadā, empīriski izmeklēja un apstiprināja krievu fiziķis Pjotrs Nikolajevičs Ļebedevs, kura eksperimentālajiem darbiem bija ļoti liela nozīme Maksvela elektromagnētisma teorijas apstiprināšanā un tās pieņemšanā un apstiprināšanā nākotnē.

Fakts, ka elektromagnētiskais vilnis rada spiedienu, ļauj novērtēt mehāniskā impulsa klātbūtni elektromagnētiskajā laukā, ko tilpuma vienībā var izteikt ar elektromagnētiskās enerģijas tilpuma blīvumu un viļņa izplatīšanās ātrumu vakuumā:

Tā kā impulss ir saistīts ar masas kustību, ir iespējams ieviest tādu jēdzienu kā elektromagnētiskā masa, un tad tilpuma vienībai šī attiecība (saskaņā ar STR) pieņems universāla dabas likuma raksturu un būs spēkā. jebkuriem materiāliem ķermeņiem neatkarīgi no matērijas formas. Tad elektromagnētiskais lauks ir līdzīgs materiālam ķermenim - tam ir enerģija W, masa m, impulss p un gala ātrums v. Tas ir, elektromagnētiskais lauks ir viena no matērijas formām, kas faktiski pastāv dabā.

Maksvela teorijas galīgais apstiprinājums

Pirmo reizi 1888. gadā Heinrihs Hercs eksperimentāli apstiprināja Maksvela elektromagnētisko teoriju. Viņš empīriski pierādīja elektromagnētisko viļņu realitāti un pētīja to īpašības, piemēram, refrakciju un absorbciju dažādos medijos, kā arī viļņu atstarošanos no metāla virsmām.

Hercs mēra viļņa garumu elektromagnētiskā radiācija, un parādīja, ka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu. Herca eksperimentālais darbs bija pēdējais solis ceļā uz Maksvela elektromagnētiskās teorijas pieņemšanu. Septiņus gadus vēlāk, 1895. gadā, krievu fiziķis Aleksandrs Stepanovičs Popovs izmantoja elektromagnētiskos viļņus, lai izveidotu bezvadu sakarus.

Elektromagnētiskos viļņus ierosina tikai paātrināti kustīgi lādiņi

Līdzstrāvas ķēdēs lādiņi pārvietojas ar nemainīgu ātrumu un elektromagnētiskie viļņi šajā gadījumā netiek izstaroti kosmosā.Lai būtu starojums, nepieciešams izmantot antenu, kurā maiņstrāvas, tas ir, strāvas kas ātri maina virzienu, būtu sajūsmā.

Vienkāršākajā formā maza izmēra elektriskais dipols ir piemērots elektromagnētisko viļņu izstarošanai, kur dipola moments laika gaitā strauji mainītos. Šādu dipolu mūsdienās sauc par "Herca dipolu", kura izmērs ir vairākas reizes mazāks nekā tā izstarotā viļņa garums.

Izstarot no Herca dipola, maksimālā elektromagnētiskās enerģijas plūsma nokrīt uz plaknes, kas ir perpendikulāra dipola asij. Gar dipola asi nav elektromagnētiskās enerģijas starojuma. Herca svarīgākajos eksperimentos elementārie dipoli tika izmantoti gan elektromagnētisko viļņu izstarošanai, gan uztveršanai, pierādot elektromagnētisko viļņu esamību.