Електромагнитни вълни, електромагнитно излъчване, разпространение на електромагнитни вълни

През 1864 г. Джеймс Клерк Максуел прогнозира възможността за електромагнитни вълни в космоса. Той излага това твърдение въз основа на заключенията, произтичащи от анализа на всички известни по това време експериментални данни относно електричеството и магнетизма.

Максуел математически съчетава законите на електродинамиката, свързвайки електрическите и магнитните явления и по този начин стига до заключението, че електрическите и магнитните полета, които се променят с времето, се генерират взаимно.

Първоначално той подчертава факта, че връзката между магнитни и електрически явления не е симетрична и въвежда термина „вихрово електрическо поле“, предлагайки свое, наистина ново обяснение на явлението електромагнитна индукция, открито от Фарадей: „всяка промяна в магнитното поле води до появата в околното пространство на вихрово електрическо поле със затворени силови линии ”.

Според Максуел е вярно и обратното твърдение, че „променящото се електрическо поле поражда магнитно поле в околното пространство“, но това твърдение в началото остава само хипотеза.

Максуел записва система от математически уравнения, които последователно описват законите на взаимните трансформации на магнитното и електрическото поле, тези уравнения по -късно се превръщат в основните уравнения на електродинамиката и започват да се наричат ​​„уравнения на Максуел“ в чест на големия учен, който ги е написал надолу. Хипотезата на Максуел, базирана на писмените уравнения, има няколко заключения, които са изключително важни за науката и технологиите, които са представени по -долу.

Електромагнитни вълни съществуват

В космоса могат да съществуват напречни електромагнитни вълни, които се разпространяват с течение на времето електромагнитно поле… Фактът, че вълните са напречни се показва от факта, че векторите на магнитната индукция В и силата на електрическото поле Е са взаимно перпендикулярни и двете лежат в равнината, перпендикулярна на посоката на разпространение на електромагнитната вълна.

Електромагнитните вълни се разпространяват с крайна скорост

Скоростта на разпространение на електромагнитни вълни в дадено вещество е крайна и се определя от електрическите и магнитните свойства на веществото, чрез което вълната се разпространява. Дължината на синусоидалната вълна λ в този случай е свързана със скоростта υ с определено точно съотношение λ = υ / f и зависи от честотата f на трептенията на полето. Скоростта c на електромагнитна вълна във вакуум е една от основните физични константи — скоростта на светлината във вакуум.

Тъй като Максуел заяви, че скоростта на разпространение на електромагнитна вълна е крайна, това създаде противоречие между неговата хипотеза и теорията за действие на далечни разстояния, възприета по това време, според която скоростта на разпространение на вълните е трябвало да бъде безкрайна. Следователно теорията на Максуел се нарича теория на действието на къси разстояния.

Електромагнитната вълна е електрическо и магнитно поле, които взаимно се трансформират едно в друго.

В електромагнитната вълна трансформацията на електрическото и магнитното поле едно в друго се случва едновременно, поради което обемните плътности на магнитната и електрическата енергия са равни една на друга.Следователно е вярно, че модулите на силата на електрическото поле и индукцията на магнитното поле са свързани помежду си във всяка точка на пространството чрез следната връзка:

Електромагнитните вълни носят енергия

Електромагнитна вълна в процеса на нейното разпространение създава поток от електромагнитна енергия и ако вземем под внимание площта в равнината, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната, тогава известно количество електромагнитна енергия ще се движи през нея за кратко време. Плътността на потока на електромагнитна енергия е количеството енергия, пренасяно от електромагнитна вълна по повърхността на единица площ за единица време. Замествайки стойностите на скоростта, както и магнитната и електрическата енергия, е възможно да се получи израз за плътността на потока по отношение на величините E и B.

Пойнтинг вектор — вектор на енергийния поток на вълната

Тъй като посоката на разпространение на вълновата енергия съвпада с посоката на скоростта на разпространение на вълната, енергийният поток, разпространяващ се в електромагнитната вълна, може да бъде зададен с помощта на вектор, насочен по същия начин като скоростта на разпространение на вълната. Този вектор е наречен «вектор на Пойнтинг» — в чест на британския физик Хенри Пойнтинг, който през 1884 г. разработва теорията за разпространението на енергийния поток на електромагнитно поле. Плътността на вълновия енергиен поток се измерва в W / m2.

Електромагнитните вълни притискат тела, които ги отразяват или поглъщат

Когато електрическо поле действа върху вещество, в него се появяват малки токове, които са подреденото движение на електрически заредени частици. Тези токове в магнитното поле на електромагнитна вълна са подложени на действието на силата на Ампер, която е насочена дълбоко в веществото. В резултат на това силата на Ампер генерира натиск.

Това явление е по -късно, през 1900 г., изследвано и потвърдено емпирично от руския физик Пьотър Николаевич Лебедев, чиято експериментална работа е много важна за потвърждаване на теорията на Максуел за електромагнетизма и нейното приемане и одобрение в бъдеще.

Фактът, че електромагнитната вълна упражнява натиск, дава възможност да се прецени наличието на механичен импулс в електромагнитното поле, който може да се изрази за единица обем чрез обемната плътност на електромагнитната енергия и скоростта на разпространение на вълната във вакуум:

Тъй като импулсът е свързан с движението на масата, е възможно да се въведе такова понятие като електромагнитна маса, а след това за единица обем това съотношение (в съответствие със STR) ще приеме характера на универсален закон на природата и ще бъде валидно за всякакви материални тела, независимо от формата на материята. Тогава електромагнитното поле е подобно на материално тяло — то има енергия W, маса m, инерция p и крайна скорост на разпространение v. Тоест електромагнитното поле е една от действително съществуващите в природата форми на материята.

Окончателно потвърждение на теорията на Максуел

За първи път през 1888 г. Хайнрих Херц експериментално потвърждава електромагнитната теория на Максуел. Той емпирично доказа реалността на електромагнитните вълни и изследва техните свойства като пречупване и поглъщане в различни среди, както и отражението на вълните от метални повърхности.

Херц измерва дължината на вълната електромагнитно излъчване, и показа, че скоростта на разпространение на електромагнитна вълна е равна на скоростта на светлината. Експерименталната работа на Херц беше последната стъпка към приемането на електромагнитната теория на Максуел. Седем години по -късно, през 1895 г., руският физик Александър Степанович Попов използва електромагнитни вълни за създаване на безжична комуникация.

Електромагнитните вълни се възбуждат само от ускорени движещи се заряди

В веригите с постоянен ток зарядите се движат с постоянна скорост и електромагнитните вълни в този случай не се излъчват в космоса.За да има радиация, е необходимо да се използва антена, в която променливите токове, тоест течения, които бързо променят посоката си, биха се възбудили.

В най -простата си форма електрически дипол с малък размер е подходящ за излъчване на електромагнитни вълни, при които диполният момент би се променил бързо във времето. Именно такъв дипол се нарича днес „херциев дипол“, чийто размер е няколко пъти по -малък от дължината на вълната, която излъчва.

Когато се излъчва от херциев дипол, максималният поток от електромагнитна енергия пада върху равнина, перпендикулярна на оста на дипола. Няма излъчване на електромагнитна енергия по оста на дипола. В най -важните експерименти на Херц елементарни диполи са използвани както за излъчване, така и за приемане на електромагнитни вълни, като е доказано съществуването на електромагнитни вълни.