Sähkömagneettiset aallot, sähkömagneettinen säteily, sähkömagneettisten aaltojen eteneminen

Vuonna 1864 James Clerk Maxwell ennusti sähkömagneettisten aaltojen mahdollisuutta avaruudessa. Hän esitti tämän väitteen niiden johtopäätösten perusteella, jotka tehtiin analysoimalla kaikkia tuolloin tiedossa olevia sähköä ja magnetismia koskevia kokeellisia tietoja.

Maxwell yhdisti matemaattisesti sähködynamiikan lait yhdistäen sähköiset ja magneettiset ilmiöt ja päätyi siten siihen tulokseen, että ajan myötä muuttuvat sähkö- ja magneettikentät synnyttävät toisiaan.

Aluksi hän korosti sitä tosiasiaa, että magneettisten ja sähköisten ilmiöiden välinen suhde ei ole symmetrinen ja otti käyttöön termin "pyörresähkökenttä" tarjoten oman, todella uuden selityksen Faradayn löytämälle sähkömagneettisen induktion ilmiölle: "jokainen muutos magneettisessa kenttä johtaa siihen, että ympäröivään tilaan ilmestyy pyörresähkökenttä, jolla on suljetut voimalinjat”.

Maxwellin mukaan päinvastainen väite, että "muuttuva sähkökenttä tuottaa magneettikentän ympäröivään tilaan", on myös totta, mutta tämä väite jäi aluksi vain hypoteesiksi.

Maxwell kirjoitti muistiin matemaattisen yhtälöjärjestelmän, joka kuvaa johdonmukaisesti magneetti- ja sähkökenttien keskinäisten muunnosten lakeja. Näistä yhtälöistä tuli myöhemmin sähködynamiikan perusyhtälöt ja niitä alettiin kutsua "Maxwellin yhtälöiksi" suuren tiedemiehen kunniaksi. ne alas. Maxwellin hypoteesissa, joka perustuu kirjoitettuihin yhtälöihin, on useita tieteen ja tekniikan kannalta erittäin tärkeitä johtopäätöksiä, jotka on esitetty alla.

Sähkömagneettisia aaltoja on olemassa

Avaruudessa voi esiintyä poikittaisia ​​sähkömagneettisia aaltoja, jotka etenevät ajan myötä elektromagneettinen kenttä… Se, että aallot ovat poikittaissuuntaisia, osoittaa se, että magneettisen induktion B ja sähkökentänvoimakkuuden E vektorit ovat keskenään kohtisuorassa ja molemmat ovat tasossa, joka on kohtisuorassa sähkömagneettisen aallon etenemissuuntaa vastaan.

Sähkömagneettiset aallot etenevät rajallisella nopeudella

Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus tietyssä aineessa on rajallinen ja sen määräävät sen aineen sähköiset ja magneettiset ominaisuudet, jonka läpi aalto etenee. Siniaallon pituus λ on tässä tapauksessa suhteessa nopeuteen υ tietyllä tarkalla suhteella λ = υ / f ja riippuu kentän värähtelyjen taajuudesta f. Sähkömagneettisen aallon nopeus c tyhjiössä on yksi fysikaalisista perusvakioista — valon nopeus tyhjiössä.

Koska Maxwell totesi sähkömagneettisen aallon etenemisnopeuden olevan äärellinen, tämä loi ristiriidan hänen hypoteesinsa ja tuolloin hyväksyttyjen pitkien etäisyyksien vaikutusteorian välille, jonka mukaan aaltojen etenemisnopeuden oletettiin olevan ääretön. Siksi Maxwellin teoriaa kutsutaan lyhyen kantaman toiminnan teoriaksi.

Sähkömagneettinen aalto on sähkö- ja magneettikenttä, jotka muuttuvat keskenään.

Sähkömagneettisessa aallossa sähkökentän ja magneettikentän muuntuminen toisiinsa tapahtuu samanaikaisesti, joten magneettisen ja sähköenergian tilavuustiheydet ovat keskenään yhtä suuret, joten on totta, että sähkökentän moduulit ovat sähkökentän voimakkuus ja magneettikentän induktio liittyvät toisiinsa missä tahansa avaruuden pisteessä seuraavan yhteyden kautta:

Sähkömagneettiset aallot kuljettavat energiaa

Sähkömagneettinen aalto sen etenemisprosessissa luo sähkömagneettisen energian virtauksen, ja jos otamme huomioon alueen tasossa, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan, niin tietty määrä sähkömagneettista energiaa liikkuu sen läpi. lyhyt aika. Sähkömagneettisen energian vuotiheys on energiamäärä, jonka sähkömagneettinen aalto kuljettaa pinnan poikki pinta-alayksikköä kohti aikayksikköä kohti. Korvaamalla nopeuden arvot sekä magneetti- ja sähköenergian, voidaan saada lauseke vuontiheydelle suureilla E ja B.

Poynting-vektori — aallon energiavirran vektori

Koska aaltoenergian etenemissuunta osuu yhteen aallon etenemisnopeuden suunnan kanssa, sähkömagneettisessa aallossa etenevä energiavirta voidaan asettaa vektorilla, joka on suunnattu samalla tavalla kuin aallon etenemisnopeus. Tätä vektoria kutsutaan "Poynting-vektoriksi" - brittiläisen fyysikon Henry Poyntingin kunniaksi, joka vuonna 1884 kehitti teorian sähkömagneettisen kentän energiavirran etenemisestä. Aaltoenergiavuon tiheys mitataan yksikössä W/m2.

Sähkömagneettiset aallot painavat niitä heijastavia tai absorboivia kappaleita

Kun sähkökenttä vaikuttaa aineeseen, siihen ilmaantuu pieniä virtoja, jotka ovat sähköisesti varautuneiden hiukkasten määrättyä liikettä. Nämä sähkömagneettisen aallon magneettikentän virrat altistuvat ampeerivoimalle, joka suuntautuu syvälle aineeseen. Tämän seurauksena Amperen voima synnyttää painetta.

Tämän ilmiön myöhemmin, vuonna 1900, tutki ja vahvisti empiirisesti venäläinen fyysikko Pjotr ​​Nikolajevitš Lebedev, jonka kokeellinen työ oli erittäin tärkeä vahvistaessaan Maxwellin sähkömagnetismiteoriaa ja sen hyväksyntää ja hyväksyntää tulevaisuudessa.

Se, että sähkömagneettinen aalto kohdistaa painetta, mahdollistaa mekaanisen impulssin läsnäolon arvioinnin sähkömagneettisessa kentässä, joka voidaan ilmaista tilavuusyksikköä kohti sähkömagneettisen energian tilavuustiheydellä ja aallon etenemisnopeudella tyhjiössä:

Koska liikemäärä liittyy massan liikkeeseen, on mahdollista ottaa käyttöön sellainen käsite kuin sähkömagneettinen massa, ja sitten yksikkötilavuudelle tämä suhde (STR:n mukaisesti) saa yleismaailmallisen luonnonlain luonteen ja on voimassa. kaikille aineellisille kappaleille aineen muodosta riippumatta. Silloin sähkömagneettinen kenttä on samanlainen kuin materiaalikappale – sillä on energia W, massa m, liikemäärä p ja päätenopeus v. Eli sähkömagneettinen kenttä on yksi luonnossa todella olemassa olevista aineen muodoista.

Lopullinen vahvistus Maxwellin teorialle

Ensimmäistä kertaa vuonna 1888 Heinrich Hertz vahvisti kokeellisesti Maxwellin sähkömagneettisen teorian. Hän todisti empiirisesti sähkömagneettisten aaltojen todellisuuden ja tutki niiden ominaisuuksia, kuten taittumista ja absorptiota eri väliaineissa sekä aaltojen heijastumista metallipinnoilta.

Hertsi mittaa aallonpituutta elektromagneettinen säteily, ja osoitti, että sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus. Hertzin kokeellinen työ oli viimeinen askel kohti Maxwellin sähkömagneettisen teorian hyväksymistä. Seitsemän vuotta myöhemmin, vuonna 1895, venäläinen fyysikko Aleksanteri Stepanovitš Popov käytti sähkömagneettisia aaltoja langattoman viestinnän luomiseen.

Sähkömagneettiset aallot virittyvät vain kiihdytetyillä liikkuvilla varauksilla

Tasavirtapiireissä varaukset liikkuvat vakionopeudella ja sähkömagneettiset aallot eivät tällöin säteile avaruuteen.Säteilyn saamiseksi on käytettävä antennia, jossa vaihtovirrat eli virrat jotka muuttavat nopeasti suuntansa, innostuivat.

Yksinkertaisimmassa muodossaan pienikokoinen sähködipoli soveltuu säteilemään sähkömagneettisia aaltoja, joissa dipolimomentti muuttuisi nopeasti ajan myötä. Tällaista dipolia kutsutaan nykyään "Hertzin dipoliksi", jonka koko on useita kertoja pienempi kuin sen lähettämä aallonpituus.

Hertsin dipolista emittoituna sähkömagneettisen energian maksimivuo putoaa tasolle, joka on kohtisuorassa dipolin akseliin nähden. Dipolin akselilla ei ole sähkömagneettisen energian säteilyä. Hertzin tärkeimmissä kokeissa alkeisdipoleja käytettiin sekä lähettämään että vastaanottamaan sähkömagneettisia aaltoja, mikä osoitti sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon.