Unde electromagnetice, radiații electromagnetice, propagarea undelor electromagnetice

În 1864, James Clerk Maxwell a prezis posibilitatea undelor electromagnetice în spațiu. El a făcut această afirmație pe baza concluziilor derivate din analiza tuturor datelor experimentale cunoscute la acea vreme referitoare la electricitate și magnetism.

Maxwell a combinat matematic legile electrodinamicii, conectând fenomenele electrice și magnetice, și astfel a ajuns la concluzia că câmpurile electrice și magnetice, care se modifică în timp, se generează reciproc.

Inițial, el a subliniat faptul că relația dintre fenomenele magnetice și cele electrice nu este simetrică și a introdus termenul de „câmp electric turbionar”, oferind o explicație proprie, cu adevărat nouă, a fenomenului de inducție electromagnetică descoperit de Faraday: „fiecare schimbare în domeniul magnetic. câmp duce la apariția în spațiul înconjurător a unui câmp electric vortex cu linii de forță închise”.

Potrivit lui Maxwell, afirmația opusă că „un câmp electric în schimbare produce un câmp magnetic în spațiul înconjurător” este de asemenea adevărată, dar această afirmație a rămas inițial doar o ipoteză.

Maxwell a notat un sistem de ecuații matematice care descriu în mod consecvent legile transformărilor reciproce ale câmpurilor magnetice și electrice, aceste ecuații au devenit ulterior ecuațiile de bază ale electrodinamicii și au început să fie numite „ecuațiile lui Maxwell” în onoarea marelui om de știință care a scris ei jos. Ipoteza lui Maxwell, bazată pe ecuațiile scrise, are câteva concluzii extrem de importante pentru știință și tehnologie, care sunt prezentate mai jos.

Undele electromagnetice există

Unde electromagnetice transversale pot exista în spațiu care se propagă în timp câmp electromagnetic… Faptul că undele sunt transversale este demonstrat de faptul că vectorii inducției magnetice B și intensitatea câmpului electric E sunt reciproc perpendiculari și ambii se află în planul perpendicular pe direcția de propagare a undei electromagnetice.

Undele electromagnetice se propagă cu o viteză finită

Viteza de propagare a undelor electromagnetice într-o anumită substanță este finită și este determinată de proprietățile electrice și magnetice ale substanței prin care se propagă unda. Lungimea undei sinusoidale λ în acest caz este legată de viteza υ cu un anumit raport exact λ = υ / f și depinde de frecvența f a oscilațiilor câmpului. Viteza c a unei unde electromagnetice în vid este una dintre constantele fizice de bază - viteza luminii în vid.

Deoarece Maxwell a afirmat că viteza de propagare a undelor electromagnetice era finită, acest lucru a creat o contradicție între ipoteza sa și teoria acțiunii la distanțe mari acceptată la acea vreme, conform căreia viteza de propagare a undelor se presupunea că este infinită. Prin urmare, teoria lui Maxwell se numește teoria acțiunii cu rază scurtă de acțiune.

Unda electromagnetică este un câmp electric și magnetic care se transformă reciproc unul în celălalt.

În unda electromagnetică, transformarea câmpului electric și a câmpului magnetic unul în celălalt are loc în același timp, prin urmare densitățile de volum ale energiei magnetice și electrice sunt egale între ele.De aceea, este adevărat că modulele de intensitatea câmpului electric și inducția câmpului magnetic sunt legate între ele este în orice punct din spațiu prin următoarea conexiune:

Undele electromagnetice transportă energie

O undă electromagnetică în procesul de propagare a acesteia creează un flux de energie electromagnetică, iar dacă luăm în considerare aria din plan perpendicular pe direcția de propagare a undei, atunci o anumită cantitate de energie electromagnetică se va deplasa prin ea într-un timp scurt. Densitatea fluxului de energie electromagnetică este cantitatea de energie transportată de o undă electromagnetică pe o suprafață pe unitate de suprafață pe unitate de timp. Prin înlocuirea valorilor vitezei, precum și a energiei magnetice și electrice, se poate obține o expresie pentru densitatea fluxului în termeni de mărimi E și B.

Vector pointing — vector al fluxului de energie al undei

Deoarece direcția de propagare a energiei undei coincide cu direcția vitezei de propagare a undei, fluxul de energie care se propagă în unda electromagnetică poate fi setat folosind un vector direcționat în același mod ca și viteza de propagare a undei. Acest vector este numit „vectorul Poynting” — în onoarea fizicianului britanic Henry Poynting, care în 1884 a dezvoltat teoria propagării fluxului de energie al unui câmp electromagnetic. Densitatea fluxului de energie a valurilor este măsurată în W/m2.

Undele electromagnetice presează corpurile care le reflectă sau le absorb

Când un câmp electric acționează asupra unei substanțe, în ea apar curenți mici, care sunt mișcarea ordonată a particulelor încărcate electric. Acești curenți din câmpul magnetic al unei unde electromagnetice sunt supuși acțiunii forței Ampere, care este îndreptată adânc în substanță. Ca rezultat, forța lui Ampere generează presiune.

Acest fenomen a fost mai târziu, în 1900, investigat și confirmat empiric de către fizicianul rus Pyotr Nikolayevich Lebedev, a cărui activitate experimentală a fost foarte importantă în confirmarea teoriei lui Maxwell a electromagnetismului și a acceptării și aprobării acesteia în viitor.

Faptul că unda electromagnetică exercită presiune face posibilă estimarea prezenței unui impuls mecanic în câmpul electromagnetic, care poate fi exprimat pe unitatea de volum prin densitatea volumetrică a energiei electromagnetice și viteza de propagare a undei în vid:

Deoarece impulsul este legat de mișcarea masei, este posibil să se introducă un astfel de concept ca masa electromagnetică, iar apoi pentru o unitate de volum acest raport (în conformitate cu STR) va lua caracterul unei legi universale a naturii și va fi valabil pentru orice corp material indiferent de forma materiei. Atunci câmpul electromagnetic este similar cu un corp material - are energie W, masă m, impuls p și viteza terminală v. Adică, câmpul electromagnetic este una dintre formele de materie existente efectiv în natură.

Confirmarea finală a teoriei lui Maxwell

Pentru prima dată în 1888, Heinrich Hertz a confirmat experimental teoria electromagnetică a lui Maxwell. El a demonstrat empiric realitatea undelor electromagnetice și a studiat proprietățile lor, cum ar fi refracția și absorbția în diferite medii, precum și reflectarea undelor de pe suprafețele metalice.

Hertz măsoară lungimea de undă radiatie electromagneticași a arătat că viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu viteza luminii. Lucrarea experimentală a lui Hertz a fost pasul final către acceptarea teoriei electromagnetice a lui Maxwell. Șapte ani mai târziu, în 1895, fizicianul rus Alexander Stepanovici Popov a folosit undele electromagnetice pentru a crea comunicații fără fir.

Undele electromagnetice sunt excitate numai de sarcinile în mișcare accelerate

În circuitele de curent continuu, sarcinile se deplasează cu o viteză constantă, iar undele electromagnetice în acest caz nu sunt emise în spațiu.Pentru a exista radiații, este necesar să se folosească o antenă în care curenții alternativi, adică curenți. care își schimbă rapid direcția, s-ar entuziasma.

În forma sa cea mai simplă, un dipol electric de dimensiuni mici este potrivit pentru radiarea undelor electromagnetice în care momentul dipolului s-ar modifica rapid în timp. Un astfel de dipol este numit astăzi „dipol hertzian”, a cărui dimensiune este de câteva ori mai mică decât lungimea de undă pe care o emite.

Atunci când este emis de la un dipol hertzian, fluxul maxim de energie electromagnetică cade pe un plan perpendicular pe axa dipolului. Nu există nicio radiație de energie electromagnetică de-a lungul axei dipolului. În cele mai importante experimente ale lui Hertz, dipolii elementari au fost folosiți atât pentru a emite, cât și pentru a primi unde electromagnetice, dovedind existența undelor electromagnetice.