Elektromagnetno valovanje, elektromagnetno sevanje, širjenje elektromagnetnega valovanja

Leta 1864 je James Clerk Maxwell napovedal možnost elektromagnetnega valovanja v vesolju. To trditev je podal na podlagi zaključkov, ki izhajajo iz analize vseh takrat znanih eksperimentalnih podatkov o elektriki in magnetizmu.

Maxwell je matematično združil zakone elektrodinamike, ki povezuje električne in magnetne pojave, in tako prišel do zaključka, da se električno in magnetno polje, ki se spreminjata s časom, med seboj generirata.

Sprva je poudaril dejstvo, da razmerje med magnetnimi in električnimi pojavi ni simetrično, in uvedel izraz "vrtinčno električno polje", s čimer je ponudil svojo, resnično novo razlago pojava elektromagnetne indukcije, ki ga je odkril Faraday: "vsaka sprememba magnetnega polja polje vodi do pojava v okoliškem prostoru vrtinčnega električnega polja z zaprtimi črtami sile.

Po Maxwellu velja tudi nasprotna trditev, da »spreminjajoče se električno polje proizvaja magnetno polje v okoliškem prostoru«, vendar je ta trditev sprva ostala le hipoteza.

Maxwell je zapisal sistem matematičnih enačb, ki dosledno opisujejo zakone medsebojnih transformacij magnetnega in električnega polja, te enačbe so kasneje postale osnovne enačbe elektrodinamike in se začele imenovati "Maxwellove enačbe" v čast velikemu znanstveniku, ki je napisal jih dol. Maxwellova hipoteza, ki temelji na zapisanih enačbah, ima več sklepov, ki so izjemno pomembni za znanost in tehnologijo, ki so predstavljeni v nadaljevanju.

Elektromagnetni valovi obstajajo

V prostoru lahko obstajajo prečni elektromagnetni valovi, ki se širijo skozi čas elektromagnetno polje… Da je valovanje transverzalno, dokazuje dejstvo, da sta vektorja magnetne indukcije B in električne poljske jakosti E medsebojno pravokotna in oba ležita v ravnini, pravokotni na smer širjenja elektromagnetnega valovanja.

Elektromagnetni valovi se širijo s končno hitrostjo

Hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja v določeni snovi je končna in je določena z električnimi in magnetnimi lastnostmi snovi, skozi katero se valovanje širi. Dolžina sinusnega vala λ je v tem primeru povezana s hitrostjo υ z določenim natančnim razmerjem λ = υ / f in je odvisna od frekvence f nihanj polja. Hitrost c elektromagnetnega valovanja v vakuumu je ena od osnovnih fizikalnih konstant — hitrost svetlobe v vakuumu.

Ker je Maxwell izjavil, da je hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja končna, je to ustvarilo protislovje med njegovo hipotezo in tedaj sprejeto teorijo delovanja na velike razdalje, po kateri naj bi bila hitrost širjenja valov neskončna. Zato Maxwellovo teorijo imenujemo teorija delovanja kratkega dosega.

Elektromagnetno valovanje je električno in magnetno polje, ki se med seboj spreminjata.

V elektromagnetnem valovanju poteka transformacija električnega polja in magnetnega polja drug v drugega sočasno, zato sta volumski gostoti magnetne in električne energije enaki, zato velja, da modula jakosti električnega polja in indukcija magnetnega polja sta medsebojno povezana na kateri koli točki v prostoru prek naslednje povezave:

Elektromagnetni valovi prenašajo energijo

Elektromagnetno valovanje v procesu svojega širjenja ustvarja tok elektromagnetne energije in če upoštevamo območje v ravnini, ki je pravokotna na smer širjenja valovanja, se bo določena količina elektromagnetne energije gibala skozenj v kratek čas. Gostota pretoka elektromagnetne energije je količina energije, ki jo prenaša elektromagnetno valovanje po površini na enoto površine na enoto časa. Z zamenjavo vrednosti hitrosti ter magnetne in električne energije je mogoče dobiti izraz za gostoto pretoka v smislu količin E in B.

Poyntingov vektor — vektor valovnega toka energije

Ker smer širjenja energije valovanja sovpada s smerjo hitrosti širjenja valovanja, lahko tok energije, ki se širi v elektromagnetnem valovanju, nastavimo z vektorjem, usmerjenim na enak način kot hitrost širjenja valovanja. Ta vektor se imenuje "Poyntingov vektor" - v čast britanskega fizika Henryja Poyntinga, ki je leta 1884 razvil teorijo o širjenju energijskega toka elektromagnetnega polja. Gostota pretoka energije valov se meri v W/m2.

Elektromagnetni valovi pritiskajo na telesa, ki jih odbijajo ali absorbirajo

Ko na snov deluje električno polje, se v njej pojavijo majhni tokovi, ki so urejeno gibanje električno nabitih delcev. Ti tokovi v magnetnem polju elektromagnetnega valovanja so podvrženi delovanju Amperove sile, ki je usmerjena globoko v snov. Posledično Amperova sila ustvarja pritisk.

Ta pojav je pozneje, leta 1900, raziskal in empirično potrdil ruski fizik Pjotr ​​Nikolajevič Lebedev, čigar eksperimentalno delo je bilo zelo pomembno pri potrditvi Maxwellove teorije elektromagnetizma ter njenem sprejemanju in potrditvi v prihodnosti.

Dejstvo, da elektromagnetno valovanje izvaja pritisk, omogoča oceno prisotnosti mehanskega impulza v elektromagnetnem polju, ki ga lahko izrazimo na enoto prostornine z volumetrično gostoto elektromagnetne energije in hitrostjo širjenja valovanja v vakuumu:

Ker je zagon povezan z gibanjem mase, je mogoče uvesti tak koncept kot elektromagnetna masa, nato pa bo za prostornino enote to razmerje (v skladu s STR) prevzelo značaj univerzalnega zakona narave in bo veljalo za vsa materialna telesa ne glede na obliko materije. Potem je elektromagnetno polje podobno materialnemu telesu - ima energijo W, maso m, gibalno količino p in končno hitrost v. To pomeni, da je elektromagnetno polje ena od oblik materije, ki dejansko obstaja v naravi.

Končna potrditev Maxwellove teorije

Leta 1888 je Heinrich Hertz prvič eksperimentalno potrdil Maxwellovo elektromagnetno teorijo. Empirično je dokazal resničnost elektromagnetnega valovanja in preučeval njihove lastnosti, kot sta lom in absorpcija v različnih medijih ter odboj valovanja od kovinskih površin.

Hertz meri valovno dolžino elektromagnetno sevanje, in pokazal, da je hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja enaka hitrosti svetlobe. Hertzovo eksperimentalno delo je bilo zadnji korak k sprejetju Maxwellove elektromagnetne teorije. Sedem let pozneje, leta 1895, je ruski fizik Aleksander Stepanovič Popov uporabil elektromagnetne valove za ustvarjanje brezžične komunikacije.

Elektromagnetno valovanje vzbujajo le pospešeno premikajoči se naboji

V tokokrogih z enosmernim tokom se naboji gibljejo s konstantno hitrostjo in elektromagnetni valovi se v tem primeru ne oddajajo v prostor.Da bi prišlo do sevanja, je potrebna uporaba antene, v kateri tečejo izmenični tokovi, tj. ki hitro spremenijo smer, bi se navdušile.

V svoji najpreprostejši obliki je električni dipol majhne velikosti primeren za sevanje elektromagnetnih valov, kjer bi se dipolni moment s časom hitro spreminjal. Takšen dipol danes imenujemo "Hertzian dipol", katerega velikost je nekajkrat manjša od valovne dolžine, ki jo oddaja.

Ko se oddaja iz Hertzovega dipola, pade največji tok elektromagnetne energije na ravnino, pravokotno na os dipola. Vzdolž osi dipola ni sevanja elektromagnetne energije. V Hertzovih najpomembnejših poskusih so bili uporabljeni osnovni dipoli za oddajanje in sprejemanje elektromagnetnih valov, kar dokazuje obstoj elektromagnetnih valov.