Gelombang elektromagnet, sinaran elektromagnet, perambatan gelombang elektromagnet

Pada tahun 1864, James Clerk Maxwell meramalkan kemungkinan gelombang elektromagnet di angkasa. Dia membuat tuntutan ini berdasarkan kesimpulan yang diperoleh daripada analisis semua data eksperimen yang diketahui pada masa itu mengenai elektrik dan kemagnetan.

Maxwell secara matematik menggabungkan undang-undang elektrodinamik, menghubungkan fenomena elektrik dan magnet, dan dengan itu membuat kesimpulan bahawa medan elektrik dan magnet, yang berubah mengikut masa, menjana satu sama lain.

Pada mulanya, beliau menekankan hakikat bahawa hubungan antara fenomena magnetik dan elektrik tidak simetri dan memperkenalkan istilah "medan elektrik pusar", menawarkan penjelasannya sendiri yang benar-benar baru mengenai fenomena induksi elektromagnet yang ditemui oleh Faraday: "setiap perubahan dalam magnet. medan membawa kepada kemunculan di ruang sekeliling medan elektrik pusaran dengan garis daya tertutup”.

Menurut Maxwell, pernyataan yang bertentangan bahawa "medan elektrik yang berubah menghasilkan medan magnet di ruang sekeliling" juga benar, tetapi kenyataan ini pada mulanya hanya tinggal hipotesis.

Maxwell menulis sistem persamaan matematik yang secara konsisten menerangkan undang-undang perubahan bersama medan magnet dan elektrik, persamaan ini kemudiannya menjadi persamaan asas elektrodinamik dan mula dipanggil "persamaan Maxwell" sebagai penghormatan kepada ahli sains yang hebat. mereka turun. Hipotesis Maxwell, berdasarkan persamaan bertulis, mempunyai beberapa kesimpulan yang sangat penting untuk sains dan teknologi, yang dibentangkan di bawah.

Gelombang elektromagnet wujud

Gelombang elektromagnet melintang boleh wujud di angkasa yang merambat dari semasa ke semasa medan elektromagnet… Fakta bahawa gelombang adalah melintang ditunjukkan oleh fakta bahawa vektor aruhan magnetik B dan kekuatan medan elektrik E adalah saling berserenjang dan kedua-duanya terletak pada satah berserenjang dengan arah perambatan gelombang elektromagnet.

Gelombang elektromagnet merambat pada kelajuan terhingga

Kelajuan perambatan gelombang elektromagnet dalam bahan tertentu adalah terhingga dan ditentukan oleh sifat elektrik dan magnet bahan yang melaluinya gelombang itu merambat. Panjang gelombang sinusoidal λ dalam kes ini adalah berkaitan dengan kelajuan υ dengan nisbah tepat tertentu λ = υ / f dan bergantung kepada frekuensi f ayunan medan. Kelajuan c gelombang elektromagnet dalam vakum adalah salah satu pemalar fizikal asas — kelajuan cahaya dalam vakum.

Oleh kerana Maxwell menyatakan bahawa kelajuan perambatan gelombang elektromagnet adalah terhingga, ini mewujudkan percanggahan antara hipotesisnya dan teori tindakan pada jarak jauh yang diterima pada masa itu, mengikut mana kelajuan perambatan gelombang sepatutnya tidak terhingga. Oleh itu, teori Maxwell dipanggil teori tindakan jarak dekat.

Gelombang elektromagnet ialah medan elektrik dan magnet yang saling bertukar menjadi satu sama lain.

Dalam gelombang elektromagnet, perubahan medan elektrik dan medan magnet kepada satu sama lain berlaku pada masa yang sama, oleh itu ketumpatan isipadu tenaga magnet dan elektrik adalah sama antara satu sama lain.Oleh itu, adalah benar bahawa moduli bagi kekuatan medan elektrik dan aruhan medan magnet adalah berkaitan antara satu sama lain adalah pada mana-mana titik dalam ruang melalui sambungan berikut:

Gelombang elektromagnet membawa tenaga

Gelombang elektromagnet dalam proses perambatannya mencipta aliran tenaga elektromagnet, dan jika kita mengambil kira kawasan dalam satah berserenjang dengan arah perambatan gelombang, maka sejumlah tenaga elektromagnet akan bergerak melaluinya dalam masa yang singkat. Ketumpatan fluks tenaga elektromagnet ialah jumlah tenaga yang dibawa oleh gelombang elektromagnet merentasi permukaan per unit luas per unit masa. Dengan menggantikan nilai halaju, serta tenaga magnet dan elektrik, adalah mungkin untuk mendapatkan ungkapan untuk ketumpatan fluks dari segi kuantiti E dan B.

Vektor penunjuk — vektor aliran tenaga gelombang

Oleh kerana arah perambatan tenaga gelombang bertepatan dengan arah halaju perambatan gelombang, aliran tenaga yang merambat dalam gelombang elektromagnet boleh ditetapkan menggunakan vektor yang diarahkan dengan cara yang sama seperti halaju perambatan gelombang. Vektor ini dipanggil «vektor Poynting» — sebagai penghormatan kepada ahli fizik British Henry Poynting, yang pada tahun 1884 mengembangkan teori penyebaran aliran tenaga medan elektromagnet. Ketumpatan fluks tenaga gelombang diukur dalam W/m2.

Gelombang elektromagnet menekan badan yang memantulkan atau menyerapnya

Apabila medan elektrik bertindak ke atas bahan, arus kecil muncul di dalamnya, yang merupakan pergerakan tertib zarah bercas elektrik. Arus dalam medan magnet gelombang elektromagnet ini tertakluk kepada tindakan daya Ampere, yang diarahkan jauh ke dalam bahan. Akibatnya, daya Ampere menghasilkan tekanan.

Fenomena ini kemudiannya, pada tahun 1900, disiasat dan disahkan secara empirik oleh ahli fizik Rusia Pyotr Nikolayevich Lebedev, yang kerja eksperimennya sangat penting dalam mengesahkan teori elektromagnetisme Maxwell dan penerimaan serta kelulusannya pada masa hadapan.

Fakta bahawa gelombang elektromagnet memberikan tekanan memungkinkan untuk menganggarkan kehadiran impuls mekanikal dalam medan elektromagnet, yang boleh dinyatakan per unit isipadu oleh ketumpatan isipadu tenaga elektromagnet dan kelajuan perambatan gelombang dalam vakum:

Oleh kerana momentum berkaitan dengan pergerakan jisim, adalah mungkin untuk memperkenalkan konsep seperti jisim elektromagnet, dan kemudian untuk isipadu unit nisbah ini (mengikut STR) akan menganggap sifat undang-undang alam sejagat dan akan sah. untuk mana-mana badan material tanpa mengira bentuk jirim. Kemudian medan elektromagnet adalah serupa dengan jasad bahan — ia mempunyai tenaga W, jisim m, momentum p, dan halaju terminal v. Iaitu, medan elektromagnet adalah salah satu bentuk jirim yang sebenarnya wujud di alam semula jadi.

Pengesahan akhir teori Maxwell

Buat pertama kalinya pada tahun 1888, Heinrich Hertz secara eksperimen mengesahkan teori elektromagnet Maxwell. Beliau secara empirik membuktikan realiti gelombang elektromagnet dan mengkaji sifatnya seperti pembiasan dan penyerapan dalam pelbagai media, serta pantulan gelombang dari permukaan logam.

Hertz mengukur panjang gelombang radiasi elektromagnetik, dan menunjukkan bahawa kelajuan perambatan gelombang elektromagnet adalah sama dengan kelajuan cahaya. Kerja eksperimen Hertz adalah langkah terakhir ke arah penerimaan teori elektromagnet Maxwell. Tujuh tahun kemudian, pada tahun 1895, ahli fizik Rusia Alexander Stepanovich Popov menggunakan gelombang elektromagnet untuk mencipta komunikasi tanpa wayar.

Gelombang elektromagnet hanya teruja dengan cas bergerak yang dipercepatkan

Dalam litar arus terus, cas bergerak pada kelajuan malar dan gelombang elektromagnet dalam kes ini tidak dipancarkan ke angkasa. Agar terdapat sinaran, perlu menggunakan antena di mana arus ulang-alik, iaitu arus yang cepat menukar arah mereka, akan teruja.

Dalam bentuk yang paling mudah, dipol elektrik bersaiz kecil sesuai untuk memancarkan gelombang elektromagnet di mana momen dipol akan berubah dengan cepat mengikut masa. Dipol sedemikian hari ini dipanggil "dipol Hertzian", saiznya beberapa kali lebih kecil daripada panjang gelombang yang dipancarkannya.

Apabila dipancarkan daripada dipol Hertzian, fluks maksimum tenaga elektromagnet jatuh pada satah berserenjang dengan paksi dipol. Tiada sinaran tenaga elektromagnet di sepanjang paksi dipol. Dalam eksperimen Hertz yang paling penting, dipol asas digunakan untuk memancarkan dan menerima gelombang elektromagnet, membuktikan kewujudan gelombang elektromagnet.