Elektromagnetlained, elektromagnetkiirgus, elektromagnetlainete levik

1864. aastal ennustas James Clerk Maxwell elektromagnetlainete võimalikkust kosmoses. Selle väite esitas ta järelduste põhjal, mis tehti kõigi tol ajal teadaolevate elektrit ja magnetismi puudutavate katseandmete analüüsimisel.

Maxwell ühendas matemaatiliselt elektrodünaamika seadused, ühendades elektri- ja magnetnähtused ning jõudis seega järeldusele, et ajas muutuvad elektri- ja magnetväljad genereerivad üksteist.

Esialgu rõhutas ta tõsiasja, et magnetiliste ja elektriliste nähtuste suhe ei ole sümmeetriline ning võttis kasutusele termini "pööriselektriväli", pakkudes Faraday avastatud elektromagnetilise induktsiooni nähtusele oma, tõeliselt uue seletuse: "iga muutus magnetilises väli viib ümbritsevasse ruumi keeriselektrivälja ilmumiseni suletud jõujoontega”.

Maxwelli sõnul peab paika ka vastupidine väide, et "muutuv elektriväli tekitab ümbritsevas ruumis magnetvälja", kuid see väide jäi esialgu vaid hüpoteesiks.

Maxwell pani kirja matemaatiliste võrrandite süsteemi, mis kirjeldavad järjekindlalt magnet- ja elektrivälja vastastikuste teisenduste seadusi, neist võrranditest said hiljem elektrodünaamika põhivõrrandid ja neid hakati suure teadlase auks nimetama "Maxwelli võrranditeks". kes kirjutas need maha. Maxwelli hüpotees, mis põhineb kirjapandud võrranditel, sisaldab mitmeid teaduse ja tehnoloogia jaoks äärmiselt olulisi järeldusi, mis on toodud allpool.

Elektromagnetlained on olemas

Ruumis võivad eksisteerida ristsuunalised elektromagnetlained, mis levivad aja jooksul elektromagnetväli… Asjaolu, et lained on risti, näitab asjaolu, et magnetinduktsiooni B ja elektrivälja tugevuse E vektorid on üksteisega risti ja mõlemad asuvad elektromagnetlaine levimissuunaga risti olevas tasapinnas.

Elektromagnetlained levivad piiratud kiirusega

Elektromagnetlainete levimiskiirus antud aines on piiratud ja selle määravad selle aine elektrilised ja magnetilised omadused, mille kaudu laine levib. Siinuslaine pikkus λ on antud juhul seotud kiirusega υ kindla täpse suhtega λ = υ / f ja sõltub välja võnkumiste sagedusest f. Elektromagnetlaine kiirus c vaakumis on üks põhilisi füüsikalisi konstante — valguse kiirus vaakumis.

Kuna Maxwell väitis, et elektromagnetlaine levimiskiirus on lõplik, tekitas see vastuolu tema hüpoteesi ja tollal aktsepteeritud pikkadel vahemaadel toimimise teooria vahel, mille kohaselt lainete levimise kiirus pidi olema lõpmatu. Seetõttu nimetatakse Maxwelli teooriat lühimaategevuse teooriaks.

Elektromagnetlaine on elektri- ja magnetväli, mis muutuvad vastastikku üksteiseks.

Elektromagnetlaines toimub elektrivälja ja magnetvälja muundumine üksteiseks üheaegselt, mistõttu on magnet- ja elektrienergia ruumalatihedused omavahel võrdsed.Seetõttu on tõsi, et elektrivälja moodulid elektrivälja tugevus ja magnetvälja induktsioon on omavahel seotud mis tahes ruumipunktis järgmise ühenduse kaudu:

Elektromagnetlained kannavad energiat

Elektromagnetlaine oma levimisprotsessis tekitab elektromagnetilise energia voo ja kui võtta arvesse laine levimissuunaga risti asetseva tasapinna pindala, siis liigub sellest läbi teatud kogus elektromagnetilist energiat. lühike aeg. Elektromagnetilise energia voo tihedus on energia hulk, mille elektromagnetlaine kannab üle pinna pindalaühiku kohta ajaühikus. Asendades kiiruse, aga ka magnet- ja elektrienergia väärtused, on võimalik saada voo tiheduse avaldis suuruste E ja B kaudu.

Poynting vektor — laine energiavoo vektor

Kuna laineenergia levimise suund langeb kokku laine levimiskiiruse suunaga, saab elektromagnetlaines levivat energiavoogu seadistada vektori abil, mis on suunatud samamoodi nagu laine levimiskiirus. Seda vektorit nimetatakse "Poyntingi vektoriks" - Briti füüsiku Henry Poyntingu auks, kes töötas 1884. aastal välja elektromagnetvälja energiavoo leviku teooria. Laineenergia voo tihedust mõõdetakse W/m2.

Elektromagnetlained suruvad vastu kehasid, mis neid peegeldavad või neelavad

Kui ainele mõjub elektriväli, tekivad selles väikesed voolud, mis on elektriliselt laetud osakeste järjestatud liikumine. Need voolud elektromagnetlaine magnetväljas on allutatud amprijõu toimele, mis on suunatud sügavale ainesse. Selle tulemusena tekitab Ampere jõud survet.

Seda nähtust hakkas hiljem, 1900. aastal, uurima ja empiiriliselt kinnitama vene füüsik Pjotr ​​Nikolajevitš Lebedev, kelle eksperimentaalne töö oli väga oluline Maxwelli elektromagnetismi teooria kinnitamisel ning selle aktsepteerimisel ja heakskiitmisel tulevikus.

Asjaolu, et elektromagnetlaine avaldab survet, võimaldab hinnata mehaanilise impulsi olemasolu elektromagnetväljas, mida saab väljendada ruumalaühiku kohta elektromagnetilise energia mahutiheduse ja laine levimiskiirusega vaakumis:

Kuna impulss on seotud massi liikumisega, on võimalik kasutusele võtta selline mõiste nagu elektromagnetiline mass ja siis ruumalaühiku puhul omandab see suhe (vastavalt STR-le) universaalse loodusseaduse iseloomu ja hakkab kehtima. mis tahes materiaalsete kehade jaoks, olenemata aine vormist. Siis on elektromagnetväli sarnane materiaalse kehaga – sellel on energia W, mass m, impulss p ja lõppkiirus v. See tähendab, et elektromagnetväli on üks looduses tegelikult eksisteerivatest ainevormidest.

Maxwelli teooria lõplik kinnitus

Esimest korda 1888. aastal kinnitas Heinrich Hertz eksperimentaalselt Maxwelli elektromagnetiteooriat. Ta tõestas empiiriliselt elektromagnetlainete reaalsust ja uuris nende omadusi nagu murdumine ja neeldumine erinevates keskkondades, samuti lainete peegeldumine metallpindadelt.

Herts mõõdab lainepikkust elektromagnetiline kiirgus, ja näitas, et elektromagnetlaine levimiskiirus on võrdne valguse kiirusega. Hertzi eksperimentaalne töö oli viimane samm Maxwelli elektromagnetilise teooria aktsepteerimise suunas. Seitse aastat hiljem, 1895. aastal, kasutas vene füüsik Aleksandr Stepanovitš Popov traadita side loomiseks elektromagnetlaineid.

Elektromagnetlaineid erutavad ainult kiirendatud liikuvad laengud

Alalisvooluahelates liiguvad laengud konstantse kiirusega ja elektromagnetlaineid sel juhul kosmosesse ei kiirgata.Et oleks kiirgust, on vaja kasutada antenni, milles vahelduvvoolud ehk voolud mis kiiresti oma suunda muudavad, oleks põnevil.

Kõige lihtsamal kujul sobib väikese suurusega elektridipool elektromagnetlainete kiirgamiseks, kus dipoolmoment muutuks ajas kiiresti. Sellist dipooli nimetatakse tänapäeval "Hertzi dipooliks", mille suurus on mitu korda väiksem kui selle kiirgav lainepikkus.

Hertsi dipoolist kiirgades langeb elektromagnetilise energia maksimaalne voog dipooli teljega risti olevale tasapinnale. Piki dipooli telge elektromagnetilise energia kiirgust ei toimu. Hertzi olulisemates katsetes kasutati elementaardipoole nii elektromagnetlainete kiirgamiseks kui ka vastuvõtmiseks, mis tõestas elektromagnetlainete olemasolu.