Elektromagnetski valovi, elektromagnetsko zračenje, širenje elektromagnetskih valova

Godine 1864. James Clerk Maxwell predvidio je mogućnost elektromagnetskih valova u svemiru. Iznio je tu tvrdnju na temelju zaključaka izvedenih iz analize svih u to vrijeme poznatih eksperimentalnih podataka o elektricitetu i magnetizmu.

Maxwell je matematički spojio zakone elektrodinamike, povezujući električne i magnetske pojave, i tako došao do zaključka da se električno i magnetsko polje, koje se mijenja s vremenom, međusobno generiraju.

U početku je naglasio činjenicu da odnos između magnetskih i električnih pojava nije simetričan te je uveo pojam "vrtložno električno polje", ponudivši vlastito, uistinu novo objašnjenje fenomena elektromagnetske indukcije koji je otkrio Faraday: "svaka promjena u magnetskom polje dovodi do pojave u okolnom prostoru vrtložnog električnog polja sa zatvorenim linijama sile”.

Prema Maxwellu, istinita je i suprotna tvrdnja da "promjenjivo električno polje proizvodi magnetsko polje u okolnom prostoru", ali je ta tvrdnja u početku ostala samo hipoteza.

Maxwell je zapisao sustav matematičkih jednadžbi koje dosljedno opisuju zakone međusobnih transformacija magnetskog i električnog polja, te su jednadžbe kasnije postale osnovne jednadžbe elektrodinamike i počele su se nazivati ​​"Maxwellove jednadžbe" u čast velikog znanstvenika koji je napisao njih dolje. Maxwellova hipoteza, temeljena na napisanim jednadžbama, ima nekoliko zaključaka koji su iznimno važni za znanost i tehnologiju, a koji su prikazani u nastavku.

Postoje elektromagnetski valovi

Transverzalni elektromagnetski valovi mogu postojati u prostoru koji se šire kroz vrijeme elektromagnetsko polje… Da su valovi transverzalni pokazuje činjenica da su vektori magnetske indukcije B i jakosti električnog polja E međusobno okomiti i oba leže u ravnini okomitoj na smjer širenja elektromagnetskog vala.

Elektromagnetski valovi šire se konačnom brzinom

Brzina širenja elektromagnetskih valova u određenoj tvari je konačna i određena je električnim i magnetskim svojstvima tvari kroz koju se val širi. Duljina sinusoidnog vala λ u ovom je slučaju povezana s brzinom υ određenim točnim omjerom λ = υ / f i ovisi o frekvenciji f oscilacija polja. Brzina c elektromagnetskog vala u vakuumu jedna je od osnovnih fizikalnih konstanti — brzina svjetlosti u vakuumu.

Budući da je Maxwell izjavio da je brzina širenja elektromagnetskog vala konačna, to je stvorilo kontradikciju između njegove hipoteze i tada prihvaćene teorije djelovanja na velikim udaljenostima, prema kojoj je brzina širenja valova trebala biti beskonačna. Stoga se Maxwellova teorija naziva teorijom kratkodometnog djelovanja.

Elektromagnetski val je električno i magnetsko polje koje se međusobno pretvaraju jedno u drugo.

U elektromagnetskom valu transformacija električnog i magnetskog polja jedno u drugo događa se istodobno, stoga su volumenske gustoće magnetske i električne energije međusobno jednake. Dakle, točno je da su moduli jakost električnog polja i indukcija magnetskog polja međusobno su povezane u bilo kojoj točki prostora sljedećom vezom:

Elektromagnetski valovi prenose energiju

Elektromagnetski val u procesu svog širenja stvara tok elektromagnetske energije, a ako uzmemo u obzir područje u ravnini okomitoj na smjer širenja vala, tada će se određena količina elektromagnetske energije kretati kroz njega u kratko vrijeme. Gustoća toka elektromagnetske energije je količina energije koju elektromagnetski val nosi preko površine po jedinici površine u jedinici vremena. Zamjenom vrijednosti brzine, kao i magnetske i električne energije, moguće je dobiti izraz za gustoću toka u smislu veličina E i B.

Poyntingov vektor — vektor toka energije vala

Budući da se smjer širenja energije vala podudara sa smjerom brzine širenja vala, tok energije koji se širi u elektromagnetskom valu može se postaviti pomoću vektora usmjerenog na isti način kao i brzina širenja vala. Taj se vektor naziva «Poyntingov vektor» — u čast britanskog fizičara Henryja Poyntinga, koji je 1884. razvio teoriju širenja toka energije elektromagnetskog polja. Gustoća toka energije valova mjeri se u W/m2.

Elektromagnetski valovi pritišću tijela koja ih reflektiraju ili apsorbiraju

Kada električno polje djeluje na tvar, u njoj se pojavljuju male struje, koje su uređeno kretanje električki nabijenih čestica. Ove struje u magnetskom polju elektromagnetskog vala podvrgnute su djelovanju Amperove sile koja je usmjerena duboko u tvar. Kao rezultat, Amperova sila stvara pritisak.

Ovu je pojavu kasnije, 1900. godine, istražio i empirijski potvrdio ruski fizičar Pjotr ​​Nikolajevič Lebedev, čiji je eksperimentalni rad bio vrlo važan za potvrdu Maxwellove teorije elektromagnetizma te njezino prihvaćanje i odobravanje u budućnosti.

Činjenica da elektromagnetski val vrši pritisak omogućuje procjenu prisutnosti mehaničkog impulsa u elektromagnetskom polju, koji se po jedinici volumena može izraziti volumetrijskom gustoćom elektromagnetske energije i brzinom širenja vala u vakuumu:

Budući da je količina gibanja povezana s kretanjem mase, moguće je uvesti takav koncept kao što je elektromagnetska masa, a tada će za jedinicu volumena taj omjer (u skladu s STR) poprimiti karakter univerzalnog zakona prirode i vrijedit će za bilo koja materijalna tijela bez obzira na oblik materije. Tada je elektromagnetsko polje slično materijalnom tijelu - ima energiju W, masu m, količinu gibanja p i krajnju brzinu v. Odnosno, elektromagnetsko polje je jedan od oblika materije koji stvarno postoji u prirodi.

Konačna potvrda Maxwellove teorije

Prvi put 1888. Heinrich Hertz eksperimentalno je potvrdio Maxwellovu elektromagnetsku teoriju. Empirijski je dokazao stvarnost elektromagnetskih valova i proučavao njihova svojstva kao što su lom i apsorpcija u različitim medijima, kao i refleksija valova od metalnih površina.

Hertz mjeri valnu duljinu elektromagnetska radijacija, te pokazao da je brzina širenja elektromagnetskog vala jednaka brzini svjetlosti. Hertzov eksperimentalni rad bio je posljednji korak prema prihvaćanju Maxwellove elektromagnetske teorije. Sedam godina kasnije, 1895., ruski fizičar Aleksandar Stepanovič Popov upotrijebio je elektromagnetske valove za stvaranje bežične komunikacije.

Elektromagnetske valove pobuđuju samo ubrzani pokretni naboji

U krugovima istosmjerne struje naboji se gibaju konstantnom brzinom i elektromagnetski valovi se u tom slučaju ne emitiraju u prostor.Da bi bilo zračenja potrebno je koristiti antenu u kojoj su izmjenične struje, tj. koji brzo mijenjaju smjer, uzbudili bi se.

U svom najjednostavnijem obliku, električni dipol male veličine prikladan je za zračenje elektromagnetskih valova gdje bi se dipolni moment brzo mijenjao s vremenom. Takav se dipol danas naziva "Hertzian dipol", čija je veličina nekoliko puta manja od valne duljine koju emitira.

Kada se emitira iz Hertzovog dipola, maksimalni tok elektromagnetske energije pada na ravninu okomitu na os dipola. Ne postoji zračenje elektromagnetske energije duž osi dipola. U Hertzovim najvažnijim eksperimentima, elementarni dipoli korišteni su za emitiranje i primanje elektromagnetskih valova, dokazujući postojanje elektromagnetskih valova.