Elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik dalgaların yayılması

1864'te James Clerk Maxwell, uzayda elektromanyetik dalgaların olasılığını tahmin etti. Bu iddiayı, o dönemde elektrik ve manyetizma ile ilgili bilinen tüm deneysel verilerin analizinden elde edilen sonuçlara dayanarak ortaya koydu.

Maxwell, elektrik ve manyetik olayları birbirine bağlayarak elektrodinamik yasalarını matematiksel olarak birleştirdi ve böylece zamanla değişen elektrik ve manyetik alanların birbirini oluşturduğu sonucuna vardı.

Başlangıçta, manyetik ve elektrik fenomeni arasındaki ilişkinin simetrik olmadığını vurguladı ve Faraday tarafından keşfedilen elektromanyetik indüksiyon fenomeni için kendi gerçekten yeni açıklamasını sunarak "girdap elektrik alanı" terimini tanıttı: "manyetikteki her değişiklik alan, çevreleyen boşlukta kapalı kuvvet hatlarına sahip bir girdap elektrik alanının görünümüne yol açar”.

Maxwell'e göre, "değişen bir elektrik alan, çevreleyen uzayda bir manyetik alan üretir" şeklindeki zıt ifade de doğrudur, ancak bu ifade başlangıçta yalnızca bir hipotez olarak kaldı.

Maxwell, manyetik ve elektrik alanların karşılıklı dönüşüm yasalarını tutarlı bir şekilde tanımlayan bir matematiksel denklemler sistemi yazdı, bu denklemler daha sonra elektrodinamiğin temel denklemleri haline geldi ve yazan büyük bilim adamının onuruna "Maxwell denklemleri" olarak anılmaya başlandı. onları aşağı. Maxwell'in yazılı denklemlere dayanan hipotezi, bilim ve teknoloji için son derece önemli olan ve aşağıda sunulan birkaç sonuca sahiptir.

Elektromanyetik dalgalar var

Uzayda zamanla yayılan enine elektromanyetik dalgalar olabilir. elektromanyetik alan... Dalgaların enine olduğu gerçeği, manyetik indüksiyon B vektörlerinin ve elektrik alan şiddeti E'nin karşılıklı olarak dik olması ve her ikisinin de elektromanyetik dalganın yayılma yönüne dik düzlemde uzanması gerçeğiyle gösterilir.

Elektromanyetik dalgalar sonlu bir hızla yayılır

Belirli bir maddede elektromanyetik dalgaların yayılma hızı sonludur ve dalganın yayıldığı maddenin elektriksel ve manyetik özellikleri tarafından belirlenir. Bu durumda sinüzoidal dalganın λ uzunluğu, λ = υ / f kesin oranıyla hız υ ile ilişkilidir ve alan salınımlarının frekansına (f) bağlıdır. Boşluktaki bir elektromanyetik dalganın c hızı, temel fiziksel sabitlerden biridir - ışığın boşluktaki hızı.

Maxwell, bir elektromanyetik dalganın yayılma hızının sonlu olduğunu belirttiği için, bu, onun hipotezi ile o dönemde kabul edilen ve dalgaların yayılma hızının sonsuz olduğu varsayılan uzun mesafelerdeki etki teorisi arasında bir çelişki yarattı. Bu nedenle, Maxwell'in teorisine kısa menzilli eylem teorisi denir.

Bir elektromanyetik dalga, karşılıklı olarak birbirine dönüşen bir elektrik ve manyetik alandır.

Elektromanyetik dalgada elektrik alan ile manyetik alanın birbirine dönüşümü aynı anda gerçekleşir, dolayısıyla manyetik ve elektrik enerjisinin hacim yoğunlukları birbirine eşittir. elektrik alan şiddeti ve manyetik alan indüksiyonu, aşağıdaki bağlantı yoluyla uzayda herhangi bir noktada birbiriyle ilişkilidir:

Elektromanyetik dalgalar enerji taşır

Yayılma sürecindeki bir elektromanyetik dalga, bir elektromanyetik enerji akışı yaratır ve düzlemde dalganın yayılma yönüne dik olan alanı hesaba katarsak, o zaman belirli bir miktarda elektromanyetik enerji içinden hareket eder. kısa zaman. Elektromanyetik enerji akı yoğunluğu, bir elektromanyetik dalga tarafından birim zamanda birim alan başına bir yüzey boyunca taşınan enerji miktarıdır. Hız değerlerinin yanı sıra manyetik ve elektrik enerjisinin yerine geçerek, akı yoğunluğu için E ve B miktarları cinsinden bir ifade elde etmek mümkündür.

Poynting vektörü - dalganın enerji akışının vektörü

Dalga enerjisinin yayılma yönü, dalganın yayılma hızının yönü ile çakıştığı için, elektromanyetik dalgada yayılan enerji akışı, dalganın yayılma hızıyla aynı şekilde yönlendirilmiş bir vektör kullanılarak ayarlanabilir. Bu vektör, 1884'te bir elektromanyetik alanın enerji akışının yayılması teorisini geliştiren İngiliz fizikçi Henry Poynting'in onuruna “Poynting vektörü” olarak adlandırılır. Dalga enerjisi akı yoğunluğu W/m2 cinsinden ölçülür.

Elektromanyetik dalgalar, onları yansıtan veya soğuran cisimlere baskı yapar.

Bir elektrik alanı bir maddeye etki ettiğinde, içinde elektrik yüklü parçacıkların düzenli hareketi olan küçük akımlar ortaya çıkar. Bir elektromanyetik dalganın manyetik alanındaki bu akımlar, maddenin derinliklerine yönlendirilen Amper kuvvetinin etkisine maruz kalır. Sonuç olarak, Amper'in kuvveti basınç oluşturur.

Bu fenomen daha sonra, 1900'de, deneysel çalışmaları Maxwell'in elektromanyetizma teorisini doğrulamada ve gelecekte kabul edilip onaylanmasında çok önemli olan Rus fizikçi Pyotr Nikolayevich Lebedev tarafından araştırıldı ve ampirik olarak doğrulandı.

Elektromanyetik dalganın basınç uygulaması gerçeği, elektromanyetik enerjinin hacimsel yoğunluğu ve dalganın boşlukta yayılma hızı ile birim hacim başına ifade edilebilen, elektromanyetik alanda mekanik bir dürtü varlığını tahmin etmeyi mümkün kılar:

Momentum kütlenin hareketi ile ilgili olduğundan, elektromanyetik kütle gibi bir kavramı ortaya koymak mümkündür ve daha sonra birim hacim için bu oran (STR'ye göre) evrensel bir doğa yasası karakterini üstlenecek ve geçerli olacaktır. maddenin biçiminden bağımsız olarak herhangi bir maddi cisim için. O halde elektromanyetik alan bir maddi cisme benzer - enerjisi W, kütlesi m, momentumu p ve uç hızı v vardır. Yani elektromanyetik alan, maddenin doğada fiilen var olan biçimlerinden biridir.

Maxwell'in teorisinin nihai onayı

İlk kez 1888'de Heinrich Hertz, Maxwell'in elektromanyetik teorisini deneysel olarak doğruladı. Elektromanyetik dalgaların gerçekliğini ampirik olarak kanıtladı ve dalgaların metal yüzeylerden yansımasının yanı sıra çeşitli ortamlarda kırılma ve soğurulma gibi özelliklerini inceledi.

Hertz dalga boyunu ölçer Elektromanyetik radyasyonve bir elektromanyetik dalganın yayılma hızının ışık hızına eşit olduğunu gösterdi. Hertz'in deneysel çalışması, Maxwell'in elektromanyetik teorisinin kabulüne yönelik son adımdı. Yedi yıl sonra, 1895'te Rus fizikçi Alexander Stepanovich Popov, kablosuz iletişim oluşturmak için elektromanyetik dalgaları kullandı.

Elektromanyetik dalgalar yalnızca hızlandırılmış hareketli yükler tarafından uyarılır

Doğru akım devrelerinde yükler sabit bir hızla hareket eder ve bu durumda elektromanyetik dalgalar uzaya yayılmaz.Radyasyon olabilmesi için içinde alternatif akımların yani akımların olduğu bir anten kullanmak gerekir. yönünü hızla değiştirenler heyecanlanırdı.

En basit haliyle, küçük boyutlu bir elektrik dipolü, dipol momentinin zamanla hızla değişeceği elektromanyetik dalgaları yaymak için uygundur. Böyle bir dipol bugün, boyutu yaydığı dalga boyundan birkaç kat daha küçük olan "Hertzian dipol" olarak adlandırılır.

Bir Hertzian dipolden yayıldığında, maksimum elektromanyetik enerji akışı dipolün eksenine dik bir düzleme düşer. Dipolün ekseni boyunca elektromanyetik enerji radyasyonu yoktur. Hertz'in en önemli deneylerinde, elektromanyetik dalgaların varlığını kanıtlayan elektromanyetik dalgaları hem yaymak hem de almak için temel dipoller kullanıldı.