Mga electromagnetic wave, electromagnetic radiation, pagpapalaganap ng electromagnetic waves

Noong 1864, hinulaan ni James Clerk Maxwell ang posibilidad ng mga electromagnetic wave sa kalawakan. Ginawa niya ang claim na ito batay sa mga konklusyon na nakuha mula sa pagsusuri ng lahat ng pang-eksperimentong data na kilala sa oras na iyon tungkol sa kuryente at magnetism.

Mathematically pinagsama-sama ni Maxwell ang mga batas ng electrodynamics, pagkonekta ng mga electric at magnetic phenomena, at sa gayon ay dumating sa konklusyon na ang mga electric at magnetic field, na nagbabago sa paglipas ng panahon, ay bumubuo sa isa't isa.

Sa una, binigyang-diin niya ang katotohanan na ang relasyon sa pagitan ng magnetic at electric phenomena ay hindi simetriko at ipinakilala ang terminong "eddy electric field", na nag-aalok ng kanyang sariling, tunay na bagong paliwanag ng phenomenon ng electromagnetic induction na natuklasan ni Faraday: "bawat pagbabago sa magnetic Ang field ay humahantong sa paglitaw sa nakapalibot na espasyo ng isang vortex electric field na may mga saradong linya ng puwersa".

Ayon kay Maxwell, ang kabaligtaran na pahayag na "ang isang nagbabagong electric field ay gumagawa ng magnetic field sa nakapalibot na espasyo" ay totoo rin, ngunit ang pahayag na ito sa simula ay nanatiling isang hypothesis lamang.

Isinulat ni Maxwell ang isang sistema ng mga mathematical equation na patuloy na naglalarawan sa mga batas ng mutual transformations ng magnetic at electric field, ang mga equation na ito sa kalaunan ay naging pangunahing equation ng electrodynamics at nagsimulang tawaging "Maxwell's equation" bilang parangal sa dakilang scientist. na sumulat pababa sila. Ang hypothesis ni Maxwell, batay sa mga nakasulat na equation, ay may ilang mga konklusyon na lubhang mahalaga para sa agham at teknolohiya, na ipinakita sa ibaba.

Mayroong mga electromagnetic wave

Ang mga transverse electromagnetic wave ay maaaring umiral sa espasyo na nagpapalaganap sa paglipas ng panahon electromagnetic field… Ang katotohanan na ang mga alon ay nakahalang ay ipinapakita sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga vector ng magnetic induction B at ang lakas ng patlang ng kuryente E ay magkaparehong patayo at parehong nakahiga sa eroplano na patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ng electromagnetic wave.

Ang mga electromagnetic wave ay kumakalat sa isang may hangganan na bilis

Ang bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave sa isang partikular na substance ay may hangganan at natutukoy ng mga electrical at magnetic na katangian ng substance kung saan ang wave ay nagpapalaganap. Ang haba ng sinusoidal wave λ sa kasong ito ay nauugnay sa bilis υ na may tiyak na eksaktong ratio λ = υ / f at depende sa frequency f ng mga oscillations ng field. Ang bilis c ng isang electromagnetic wave sa isang vacuum ay isa sa mga pangunahing pisikal na constants — ang bilis ng liwanag sa isang vacuum.

Dahil sinabi ni Maxwell na ang bilis ng pagpapalaganap ng isang electromagnetic wave ay may hangganan, lumikha ito ng kontradiksyon sa pagitan ng kanyang hypothesis at ng teorya ng aksyon sa malalayong distansya na tinanggap noong panahong iyon, ayon sa kung saan ang bilis ng pagpapalaganap ng mga alon ay dapat na walang katapusan. Samakatuwid, ang teorya ni Maxwell ay tinatawag na theory of short-range action.

Ang electromagnetic wave ay isang electric at magnetic field na magkaparehong nagbabago sa isa't isa.

Sa electromagnetic wave, ang pagbabagong-anyo ng electric field at ang magnetic field sa isa't isa ay nangyayari sa parehong oras, samakatuwid ang mga densidad ng volume ng magnetic at electric energy ay pantay sa isa't isa. Samakatuwid, totoo na ang moduli ng Ang lakas ng electric field at ang magnetic field induction ay nauugnay sa isa't isa ay sa anumang punto sa espasyo sa pamamagitan ng sumusunod na koneksyon:

Ang mga electromagnetic wave ay nagdadala ng enerhiya

Ang isang electromagnetic wave sa proseso ng pagpapalaganap nito ay lumilikha ng isang daloy ng electromagnetic energy, at kung isasaalang-alang natin ang lugar sa eroplano na patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon, kung gayon ang isang tiyak na halaga ng electromagnetic energy ay lilipat dito sa isang maikling oras. Ang electromagnetic energy flux density ay ang dami ng enerhiya na dinadala ng isang electromagnetic wave sa isang ibabaw bawat unit area bawat unit time. Sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga halaga ng bilis, pati na rin ang magnetic at electric energy, posible na makakuha ng isang expression para sa density ng flux sa mga tuntunin ng mga dami ng E at B.

Poynting vector — vector ng daloy ng enerhiya ng alon

Dahil ang direksyon ng pagpapalaganap ng enerhiya ng alon ay tumutugma sa direksyon ng bilis ng pagpapalaganap ng alon, ang daloy ng enerhiya na nagpapalaganap sa electromagnetic wave ay maaaring itakda gamit ang isang vector na nakadirekta sa parehong paraan tulad ng bilis ng pagpapalaganap ng alon. Ang vector na ito ay tinatawag na «Poynting vector» - bilang parangal sa British physicist na si Henry Poynting, na noong 1884 ay bumuo ng teorya ng pagpapalaganap ng daloy ng enerhiya ng isang electromagnetic field. Ang density ng flux ng enerhiya ng alon ay sinusukat sa W/m2.

Ang mga electromagnetic wave ay pumipindot sa mga katawan na sumasalamin o sumisipsip sa kanila

Kapag ang isang electric field ay kumikilos sa isang sangkap, lumilitaw ang maliliit na alon dito, na kung saan ay ang iniutos na paggalaw ng mga particle na may kuryente. Ang mga alon na ito sa magnetic field ng isang electromagnetic wave ay napapailalim sa pagkilos ng puwersa ng Ampere, na nakadirekta nang malalim sa sangkap. Bilang resulta, ang puwersa ng Ampere ay bumubuo ng presyon.

Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay kalaunan, noong 1900, sinisiyasat at kinumpirma nang empirikal ng pisikong Ruso na si Pyotr Nikolayevich Lebedev, na ang gawaing pang-eksperimento ay napakahalaga sa pagkumpirma ng teorya ng electromagnetism ni Maxwell at ang pagtanggap at pag-apruba nito sa hinaharap.

Ang katotohanan na ang electromagnetic wave ay nagbibigay ng presyon ay ginagawang posible upang matantya ang pagkakaroon ng isang mekanikal na salpok sa electromagnetic field, na maaaring ipahayag sa bawat yunit ng dami ng volumetric density ng electromagnetic energy at ang bilis ng pagpapalaganap ng alon sa isang vacuum:

Dahil ang momentum ay nauugnay sa paggalaw ng masa, posible na ipakilala ang isang konsepto bilang electromagnetic mass, at pagkatapos ay para sa isang dami ng yunit ang ratio na ito (alinsunod sa STR) ay ipagpalagay ang katangian ng isang unibersal na batas ng kalikasan at magiging wasto. para sa anumang materyal na katawan anuman ang anyo ng bagay. Pagkatapos ang electromagnetic field ay katulad ng isang materyal na katawan — ito ay may enerhiya W, mass m, momentum p, at terminal velocity v. Iyon ay, ang electromagnetic field ay isa sa mga anyo ng bagay na aktwal na umiiral sa kalikasan.

Panghuling kumpirmasyon ng teorya ni Maxwell

Sa unang pagkakataon noong 1888, eksperimento ni Heinrich Hertz na kinumpirma ang electromagnetic theory ni Maxwell. Empirically pinatunayan niya ang katotohanan ng electromagnetic waves at pinag-aralan ang kanilang mga katangian tulad ng repraksyon at pagsipsip sa iba't ibang media, pati na rin ang pagmuni-muni ng mga alon mula sa mga ibabaw ng metal.

Sinusukat ng Hertz ang wavelength electromagnetic radiation, at ipinakita na ang bilis ng pagpapalaganap ng isang electromagnetic wave ay katumbas ng bilis ng liwanag. Ang pang-eksperimentong gawain ni Hertz ay ang huling hakbang patungo sa pagtanggap ng electromagnetic theory ni Maxwell. Pagkalipas ng pitong taon, noong 1895, gumamit ng mga electromagnetic wave ang Russian physicist na si Alexander Stepanovich Popov upang lumikha ng wireless na komunikasyon.

Ang mga electromagnetic wave ay nasasabik lamang sa pamamagitan ng pinabilis na paglipat ng mga singil

Sa mga direktang kasalukuyang circuit, ang mga singil ay gumagalaw sa isang pare-pareho ang bilis at ang mga electromagnetic wave sa kasong ito ay hindi ibinubuga sa espasyo. Upang magkaroon ng radiation, kinakailangan na gumamit ng isang antena kung saan ang mga alternating currents, iyon ay, mga alon na mabilis na nagbabago ng kanilang direksyon, ay nasasabik.

Sa pinakasimpleng anyo nito, ang isang electric dipole na may maliit na sukat ay angkop para sa pag-radiate ng mga electromagnetic wave kung saan ang dipole moment ay mabilis na magbabago sa paglipas ng panahon. Ang nasabing dipole ay tinatawag ngayon na "Hertzian dipole", ang laki nito ay ilang beses na mas maliit kaysa sa wavelength na ibinubuga nito.

Kapag inilabas mula sa isang Hertzian dipole, ang maximum na flux ng electromagnetic energy ay bumabagsak sa isang eroplanong patayo sa axis ng dipole. Walang radiation ng electromagnetic energy sa kahabaan ng axis ng dipole. Sa pinakamahalagang eksperimento ni Hertz, ang mga elementarya na dipoles ay ginamit upang parehong naglalabas at tumanggap ng mga electromagnetic wave, na nagpapatunay sa pagkakaroon ng mga electromagnetic wave.