Elektromagnetické vlny, elektromagnetické záření, šíření elektromagnetických vln

V roce 1864 James Clerk Maxwell předpověděl možnost elektromagnetických vln ve vesmíru. Toto tvrzení učinil na základě závěrů odvozených z analýzy všech tehdy známých experimentálních dat týkajících se elektřiny a magnetismu.

Maxwell matematicky spojil zákony elektrodynamiky, spojující elektrické a magnetické jevy, a tak dospěl k závěru, že elektrická a magnetická pole, která se mění v čase, se navzájem generují.

Zpočátku zdůrazňoval skutečnost, že vztah mezi magnetickými a elektrickými jevy není symetrický a zavedl termín „vířivé elektrické pole“, přičemž nabízí vlastní, skutečně nové vysvětlení fenoménu elektromagnetické indukce objeveného Faradayem: „každá změna v magnetickém poli pole vede k tomu, že se v okolním prostoru objeví vírové elektrické pole s uzavřenými siločárami“.

Podle Maxwella platí i opačné tvrzení, že „měnící se elektrické pole vytváří magnetické pole v okolním prostoru“, ale toto tvrzení zpočátku zůstávalo pouze hypotézou.

Maxwell sepsal systém matematických rovnic, které důsledně popisují zákony vzájemných přeměn magnetického a elektrického pole, tyto rovnice se později staly základními rovnicemi elektrodynamiky a na počest velkého vědce se jim začalo říkat „Maxwellovy rovnice“. dolů. Maxwellova hypotéza, založená na psaných rovnicích, má několik závěrů, které jsou mimořádně důležité pro vědu a techniku, které jsou uvedeny níže.

Elektromagnetické vlny existují

V prostoru mohou existovat příčné elektromagnetické vlny, které se šíří v čase elektromagnetické pole… To, že vlny jsou příčné, ukazuje fakt, že vektory magnetické indukce B a intenzity elektrického pole E jsou vzájemně kolmé a oba leží v rovině kolmé na směr šíření elektromagnetické vlny.

Elektromagnetické vlny se šíří konečnou rychlostí

Rychlost šíření elektromagnetických vln v dané látce je konečná a je určena elektrickými a magnetickými vlastnostmi látky, kterou se vlna šíří. Délka sinusové vlny λ v tomto případě souvisí s rychlostí υ s určitým přesným poměrem λ = υ / f a závisí na frekvenci f kmitů pole. Rychlost c elektromagnetické vlny ve vakuu je jednou ze základních fyzikálních konstant — rychlost světla ve vakuu.

Protože Maxwell prohlásil, že rychlost šíření elektromagnetické vlny je konečná, vznikl tím rozpor mezi jeho hypotézou a tehdy přijímanou teorií působení na velké vzdálenosti, podle níž měla být rychlost šíření vln nekonečná. Proto je Maxwellova teorie nazývána teorií akce krátkého dosahu.

Elektromagnetická vlna je elektrické a magnetické pole, které se vzájemně přeměňují.

V elektromagnetické vlně dochází současně k přeměně elektrického pole a magnetického pole na sebe, proto jsou objemové hustoty magnetické a elektrické energie navzájem stejné.Proto platí, že moduly el. síla elektrického pole a indukce magnetického pole jsou ve vzájemném vztahu v libovolném bodě prostoru prostřednictvím následujícího spojení:

Elektromagnetické vlny přenášejí energii

Elektromagnetická vlna v procesu svého šíření vytváří tok elektromagnetické energie, a pokud vezmeme v úvahu plochu v rovině kolmé ke směru šíření vlny, pak se jí bude pohybovat určité množství elektromagnetické energie v krátká doba. Hustota toku elektromagnetické energie je množství energie přenášené elektromagnetickou vlnou přes povrch na jednotku plochy za jednotku času. Dosazením hodnot rychlosti, jakož i magnetické a elektrické energie je možné získat vyjádření hustoty toku z hlediska veličin E a B.

Poyntingův vektor — vektor energetického toku vlny

Protože směr šíření energie vlny se shoduje se směrem rychlosti šíření vlny, lze tok energie šířící se v elektromagnetické vlně nastavit pomocí vektoru směrovaného stejně jako rychlost šíření vlny. Tento vektor se nazývá «Poyntingův vektor» — na počest britského fyzika Henryho Poyntinga, který v roce 1884 vyvinul teorii šíření toku energie elektromagnetického pole. Hustota toku energie vln se měří ve W/m2.

Elektromagnetické vlny tlačí na tělesa, která je odrážejí nebo pohlcují

Při působení elektrického pole na látku se v ní objevují malé proudy, které jsou uspořádaným pohybem elektricky nabitých částic. Tyto proudy v magnetickém poli elektromagnetické vlny jsou vystaveny působení ampérové ​​síly, která je nasměrována hluboko do látky. V důsledku toho ampérova síla vytváří tlak.

Tento jev byl později, v roce 1900, prozkoumán a empiricky potvrzen ruským fyzikem Petrem Nikolajevičem Lebeděvem, jehož experimentální práce byly velmi důležité pro potvrzení Maxwellovy teorie elektromagnetismu a jejího přijetí a schválení v budoucnu.

Skutečnost, že elektromagnetická vlna působí tlakem, umožňuje odhadnout přítomnost mechanického impulsu v elektromagnetickém poli, který lze na jednotku objemu vyjádřit objemovou hustotou elektromagnetické energie a rychlostí šíření vlny ve vakuu:

Protože hybnost souvisí s pohybem hmoty, je možné zavést takový pojem jako elektromagnetická hmota, a pak pro jednotkový objem tento poměr (v souladu s STR) nabude charakteru univerzálního přírodního zákona a bude platit pro jakákoliv hmotná těla bez ohledu na formu hmoty. Pak je elektromagnetické pole podobné hmotnému tělesu — má energii W, hmotnost m, hybnost p a konečnou rychlost v. To znamená, že elektromagnetické pole je jednou z forem hmoty skutečně existující v přírodě.

Konečné potvrzení Maxwellovy teorie

Poprvé v roce 1888 Heinrich Hertz experimentálně potvrdil Maxwellovu elektromagnetickou teorii. Empiricky prokázal realitu elektromagnetických vln a studoval jejich vlastnosti jako je lom a absorpce v různých prostředích a také odraz vlnění od kovových povrchů.

Hertz měří vlnovou délku elektromagnetická radiacea ukázal, že rychlost šíření elektromagnetické vlny je rovna rychlosti světla. Hertzova experimentální práce byla posledním krokem k přijetí Maxwellovy elektromagnetické teorie. O sedm let později, v roce 1895, použil ruský fyzik Alexander Stepanovič Popov elektromagnetické vlny k vytvoření bezdrátové komunikace.

Elektromagnetické vlny jsou buzeny pouze urychlenými pohybujícími se náboji

V obvodech stejnosměrného proudu se náboje pohybují konstantní rychlostí a elektromagnetické vlny v tomto případě nejsou vyzařovány do prostoru.Aby zde mohlo docházet k záření, je nutné použít anténu, ve které jsou střídavé proudy, tedy proudy kteří rychle změnili směr, byli by nadšení.

Ve své nejjednodušší podobě je elektrický dipól malých rozměrů vhodný pro vyzařování elektromagnetických vln, kde by se dipólový moment s časem rychle měnil. Takový dipól se dnes nazývá „hertzovský dipól“, jehož velikost je několikanásobně menší než vlnová délka, kterou vyzařuje.

Při vyzařování z Hertzova dipólu dopadá maximální tok elektromagnetické energie do roviny kolmé k ose dipólu. Podél osy dipólu nedochází k vyzařování elektromagnetické energie. V nejdůležitějších Hertzových experimentech byly elementární dipóly použity k vysílání i příjmu elektromagnetických vln, což dokazuje existenci elektromagnetických vln.