Ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Το 1864, ο James Clerk Maxwell προέβλεψε την πιθανότητα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο διάστημα. Αυτός τον ισχυρισμό έκανε με βάση τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση όλων των πειραματικών δεδομένων που ήταν γνωστά εκείνη την εποχή σχετικά με τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό.

Ο Maxwell συνδύασε μαθηματικά τους νόμους της ηλεκτροδυναμικής, συνδέοντας ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα, και έτσι κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, που αλλάζουν με το χρόνο, δημιουργούν το ένα το άλλο.

Αρχικά, τόνισε το γεγονός ότι η σχέση μεταξύ μαγνητικών και ηλεκτρικών φαινομένων δεν είναι συμμετρική και εισήγαγε τον όρο «δίνο ηλεκτρικό πεδίο», προσφέροντας τη δική του, πραγματικά νέα εξήγηση για το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ανακάλυψε ο Faraday: «κάθε αλλαγή στο μαγνητικό Το πεδίο οδηγεί στην εμφάνιση στον περιβάλλοντα χώρο ενός ηλεκτρικού πεδίου δίνης με κλειστές γραμμές δύναμης».

Σύμφωνα με τον Maxwell, η αντίθετη δήλωση ότι «ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο παράγει ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο» είναι επίσης αλήθεια, αλλά αυτή η δήλωση αρχικά παρέμεινε μόνο μια υπόθεση.

Ο Maxwell έγραψε ένα σύστημα μαθηματικών εξισώσεων που περιγράφουν με συνέπεια τους νόμους των αμοιβαίων μετασχηματισμών του μαγνητικού και ηλεκτρικού πεδίου, αυτές οι εξισώσεις αργότερα έγιναν οι βασικές εξισώσεις της ηλεκτροδυναμικής και άρχισαν να ονομάζονται "εξισώσεις Maxwell" προς τιμή του μεγάλου επιστήμονα. αυτούς κάτω. Η υπόθεση του Maxwell, βασισμένη στις γραπτές εξισώσεις, έχει αρκετά συμπεράσματα εξαιρετικά σημαντικά για την επιστήμη και την τεχνολογία, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω.

Υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα

Εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να υπάρχουν στο χώρο που διαδίδονται με την πάροδο του χρόνου ηλεκτρομαγνητικό πεδίο… Το γεγονός ότι τα κύματα είναι εγκάρσια φαίνεται από το γεγονός ότι τα διανύσματα της μαγνητικής επαγωγής Β και της έντασης ηλεκτρικού πεδίου Ε είναι αμοιβαία κάθετα και και τα δύο βρίσκονται στο επίπεδο κάθετο προς την κατεύθυνση διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με πεπερασμένη ταχύτητα

Η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε μια δεδομένη ουσία είναι πεπερασμένη και καθορίζεται από τις ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες της ουσίας μέσω της οποίας διαδίδεται το κύμα. Το μήκος του ημιτονοειδούς κύματος λ σε αυτή την περίπτωση σχετίζεται με την ταχύτητα υ με συγκεκριμένη ακριβή αναλογία λ = υ / f και εξαρτάται από τη συχνότητα f των ταλαντώσεων του πεδίου. Η ταχύτητα c ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος στο κενό είναι μία από τις βασικές φυσικές σταθερές - η ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Επειδή ο Maxwell δήλωσε ότι η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος ήταν πεπερασμένη, αυτό δημιούργησε μια αντίφαση μεταξύ της υπόθεσής του και της θεωρίας της δράσης σε μεγάλες αποστάσεις που ήταν αποδεκτή τότε, σύμφωνα με την οποία η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων υποτίθεται ότι ήταν άπειρη. Επομένως, η θεωρία του Maxwell ονομάζεται θεωρία της δράσης μικρής εμβέλειας.

Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι ένα ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο που μετατρέπονται αμοιβαία το ένα στο άλλο.

Στο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, η μετατροπή του ηλεκτρικού πεδίου και του μαγνητικού πεδίου μεταξύ τους συμβαίνει ταυτόχρονα, επομένως οι πυκνότητες όγκου της μαγνητικής και ηλεκτρικής ενέργειας είναι ίσες μεταξύ τους. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου σχετίζονται μεταξύ τους σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου μέσω της ακόλουθης σύνδεσης:

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μεταφέρουν ενέργεια

Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα στη διαδικασία της διάδοσής του δημιουργεί μια ροή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και αν λάβουμε υπόψη την περιοχή στο επίπεδο κάθετο προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, τότε μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας θα κινηθεί μέσα από αυτό σε ένα σύντομο χρονικό διάστημα. Η πυκνότητα ροής ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας είναι η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε μια επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου. Αντικαθιστώντας τις τιμές της ταχύτητας, καθώς και της μαγνητικής και ηλεκτρικής ενέργειας, είναι δυνατό να ληφθεί μια έκφραση για την πυκνότητα ροής ως προς τις ποσότητες Ε και Β.

Διάνυσμα Poynting — διάνυσμα της ροής ενέργειας του κύματος

Εφόσον η κατεύθυνση διάδοσης της ενέργειας του κύματος συμπίπτει με την κατεύθυνση της ταχύτητας διάδοσης του κύματος, η ροή ενέργειας που διαδίδεται στο ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας ένα διάνυσμα που κατευθύνεται με τον ίδιο τρόπο όπως η ταχύτητα διάδοσης του κύματος. Αυτό το διάνυσμα ονομάζεται «διάνυσμα Poynting» — προς τιμήν του Βρετανού φυσικού Henry Poynting, ο οποίος το 1884 ανέπτυξε τη θεωρία της διάδοσης της ροής ενέργειας ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η πυκνότητα ροής ενέργειας κύματος μετράται σε W/m2.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα πιέζουν τα σώματα που τα αντανακλούν ή τα απορροφούν

Όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο δρα σε μια ουσία, εμφανίζονται μικρά ρεύματα σε αυτήν, τα οποία είναι η διατεταγμένη κίνηση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Αυτά τα ρεύματα στο μαγνητικό πεδίο ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος υπόκεινται στη δράση της δύναμης Ampere, η οποία κατευθύνεται βαθιά μέσα στην ουσία. Ως αποτέλεσμα, η δύναμη του Ampere δημιουργεί πίεση.

Αυτό το φαινόμενο αργότερα, το 1900, διερευνήθηκε και επιβεβαιώθηκε εμπειρικά από τον Ρώσο φυσικό Pyotr Nikolayevich Lebedev, του οποίου η πειραματική εργασία ήταν πολύ σημαντική για την επιβεβαίωση της θεωρίας του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell και την αποδοχή και την έγκρισή της στο μέλλον.

Το γεγονός ότι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα ασκεί πίεση καθιστά δυνατή την εκτίμηση της παρουσίας μιας μηχανικής ώθησης στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, η οποία μπορεί να εκφραστεί ανά μονάδα όγκου από την ογκομετρική πυκνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και την ταχύτητα διάδοσης του κύματος στο κενό:

Δεδομένου ότι η ορμή σχετίζεται με την κίνηση της μάζας, είναι δυνατόν να εισαχθεί μια τέτοια έννοια όπως η ηλεκτρομαγνητική μάζα και στη συνέχεια για μια μονάδα όγκου αυτή η αναλογία (σύμφωνα με το STR) θα λάβει τον χαρακτήρα ενός παγκόσμιου νόμου της φύσης και θα ισχύει για οποιαδήποτε υλικά σώματα ανεξάρτητα από τη μορφή της ύλης. Τότε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι παρόμοιο με ένα υλικό σώμα — έχει ενέργεια W, μάζα m, ορμή p και τερματική ταχύτητα v. Δηλαδή, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι μια από τις μορφές ύλης που υπάρχουν πραγματικά στη φύση.

Τελική επιβεβαίωση της θεωρίας του Maxwell

Για πρώτη φορά το 1888, ο Heinrich Hertz επιβεβαίωσε πειραματικά την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell. Απέδειξε εμπειρικά την πραγματικότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και μελέτησε τις ιδιότητές τους όπως η διάθλαση και η απορρόφηση σε διάφορα μέσα, καθώς και η ανάκλαση κυμάτων από μεταλλικές επιφάνειες.

Το Hertz μετρά το μήκος κύματος ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, και έδειξε ότι η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Η πειραματική εργασία του Hertz ήταν το τελευταίο βήμα προς την αποδοχή της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του Maxwell. Επτά χρόνια αργότερα, το 1895, ο Ρώσος φυσικός Alexander Stepanovich Popov χρησιμοποίησε ηλεκτρομαγνητικά κύματα για να δημιουργήσει ασύρματη επικοινωνία.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διεγείρονται μόνο από επιταχυνόμενα κινούμενα φορτία

Στα κυκλώματα συνεχούς ρεύματος τα φορτία κινούνται με σταθερή ταχύτητα και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε αυτή την περίπτωση δεν εκπέμπονται στο διάστημα.Για να υπάρχει ακτινοβολία είναι απαραίτητη η χρήση κεραίας στην οποία τα εναλλασσόμενα ρεύματα, δηλαδή τα ρεύματα που άλλαζαν γρήγορα κατεύθυνση, θα ενθουσιάζονταν.

Στην απλούστερη μορφή του, ένα ηλεκτρικό δίπολο μικρού μεγέθους είναι κατάλληλο για την ακτινοβολία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων όπου η διπολική ροπή θα άλλαζε γρήγορα με το χρόνο. Ένα τέτοιο δίπολο ονομάζεται σήμερα «Ερτζιανό δίπολο», το μέγεθος του οποίου είναι αρκετές φορές μικρότερο από το μήκος κύματος που εκπέμπει.

Όταν εκπέμπεται από ένα ερτζιανό δίπολο, η μέγιστη ροή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας πέφτει σε επίπεδο κάθετο στον άξονα του διπόλου. Δεν υπάρχει ακτινοβολία ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας κατά μήκος του άξονα του διπόλου. Στα πιο σημαντικά πειράματα του Hertz, χρησιμοποιήθηκαν στοιχειώδη δίπολα τόσο για την εκπομπή όσο και για τη λήψη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, αποδεικνύοντας την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.