Elektromagnetische golven, elektromagnetische straling, voortplanting van elektromagnetische golven

In 1864 voorspelde James Clerk Maxwell de mogelijkheid van elektromagnetische golven in de ruimte. Hij deed deze bewering op basis van de conclusies die hij had getrokken uit de analyse van alle toen bekende experimentele gegevens over elektriciteit en magnetisme.

Maxwell combineerde wiskundig de wetten van de elektrodynamica, waarbij hij elektrische en magnetische verschijnselen met elkaar verbond, en kwam zo tot de conclusie dat elektrische en magnetische velden, die met de tijd veranderen, elkaar genereren.

Aanvankelijk benadrukte hij het feit dat de relatie tussen magnetische en elektrische verschijnselen niet symmetrisch is en introduceerde hij de term "eddy electric field", waarmee hij zijn eigen, werkelijk nieuwe verklaring gaf voor het door Faraday ontdekte fenomeen van elektromagnetische inductie: "every change in the magnetic veld leidt tot het verschijnen in de omringende ruimte van een vortex elektrisch veld met gesloten krachtlijnen”.

Volgens Maxwell is de tegenovergestelde bewering dat "een veranderend elektrisch veld een magnetisch veld in de omringende ruimte produceert" ook waar, maar deze bewering bleef aanvankelijk slechts een hypothese.

Maxwell schreef een systeem van wiskundige vergelijkingen op die consistent de wetten van wederzijdse transformaties van de magnetische en elektrische velden beschrijven, deze vergelijkingen werden later de basisvergelijkingen van de elektrodynamica en werden "Maxwell's vergelijkingen" genoemd ter ere van de grote wetenschapper die schreef. ze naar beneden. De hypothese van Maxwell, gebaseerd op de geschreven vergelijkingen, heeft verschillende conclusies die uiterst belangrijk zijn voor wetenschap en technologie, die hieronder worden weergegeven.

Elektromagnetische golven bestaan

Transversale elektromagnetische golven kunnen in de ruimte bestaan ​​en zich in de loop van de tijd voortplanten elektromagnetisch veld… Dat de golven transversaal zijn blijkt uit het feit dat de vectoren van de magnetische inductie B en de elektrische veldsterkte E onderling loodrecht staan ​​en beide in het vlak loodrecht op de voortplantingsrichting van de elektromagnetische golf liggen.

Elektromagnetische golven planten zich voort met een eindige snelheid

De voortplantingssnelheid van elektromagnetische golven in een bepaalde stof is eindig en wordt bepaald door de elektrische en magnetische eigenschappen van de stof waardoor de golf zich voortplant. De lengte van de sinusvormige golf λ is in dit geval gerelateerd aan de snelheid υ met een bepaalde exacte verhouding λ = υ / f en hangt af van de frequentie f van de veldoscillaties. De snelheid c van een elektromagnetische golf in een vacuüm is een van de fundamentele fysische constanten - de lichtsnelheid in een vacuüm.

Omdat Maxwell stelde dat de voortplantingssnelheid van een elektromagnetische golf eindig was, ontstond er een tegenstrijdigheid tussen zijn hypothese en de destijds aanvaarde theorie van actie op lange afstanden, volgens welke de voortplantingssnelheid van golven oneindig zou moeten zijn. Daarom wordt de theorie van Maxwell de theorie van actie op korte afstand genoemd.

Een elektromagnetische golf is een elektrisch en magnetisch veld die onderling in elkaar transformeren.

In de elektromagnetische golf vindt de transformatie van het elektrische veld en het magnetische veld in elkaar tegelijkertijd plaats, daarom zijn de volumedichtheden van de magnetische en elektrische energie gelijk aan elkaar. Daarom is het waar dat de moduli van de elektrische veldsterkte en de magnetische veldinductie zijn aan elkaar gerelateerd is op elk punt in de ruimte door de volgende verbinding:

Elektromagnetische golven dragen energie

Een elektromagnetische golf creëert tijdens zijn voortplanting een stroom van elektromagnetische energie, en als we rekening houden met het gebied in het vlak loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf, dan zal er een bepaalde hoeveelheid elektromagnetische energie doorheen bewegen in een korte tijd. Elektromagnetische energiefluxdichtheid is de hoeveelheid energie die door een elektromagnetische golf over een oppervlak wordt gedragen per oppervlakte-eenheid per tijdseenheid. Door de waarden van de snelheid te vervangen, evenals de magnetische en elektrische energie, is het mogelijk om een ​​uitdrukking te krijgen voor de fluxdichtheid in termen van de grootheden E en B.

Puntvector — vector van de energiestroom van de golf

Aangezien de voortplantingsrichting van de golfenergie samenvalt met de richting van de voortplantingssnelheid van de golf, kan de energiestroom die zich voortplant in de elektromagnetische golf worden ingesteld met behulp van een vector die op dezelfde manier is gericht als de voortplantingssnelheid van de golf. Deze vector wordt de "Poynting-vector" genoemd - ter ere van de Britse natuurkundige Henry Poynting, die in 1884 de theorie ontwikkelde van de voortplanting van de energiestroom van een elektromagnetisch veld. De golfenergiefluxdichtheid wordt gemeten in W/m2.

Elektromagnetische golven drukken tegen lichamen die ze reflecteren of absorberen

Wanneer een elektrisch veld op een stof inwerkt, verschijnen er kleine stroompjes in, de geordende beweging van elektrisch geladen deeltjes. Deze stromen in het magnetische veld van een elektromagnetische golf worden onderworpen aan de werking van de Ampere-kracht, die diep in de substantie wordt gericht. Als gevolg hiervan genereert de kracht van Ampere druk.

Dit fenomeen werd later, in 1900, onderzocht en empirisch bevestigd door de Russische natuurkundige Pyotr Nikolayevich Lebedev, wiens experimentele werk erg belangrijk was bij het bevestigen van Maxwells theorie van elektromagnetisme en de acceptatie en goedkeuring ervan in de toekomst.

Het feit dat de elektromagnetische golf druk uitoefent, maakt het mogelijk om de aanwezigheid van een mechanische impuls in het elektromagnetische veld te schatten, die per volume-eenheid kan worden uitgedrukt door de volumetrische dichtheid van elektromagnetische energie en de voortplantingssnelheid van de golf in een vacuüm:

Aangezien momentum gerelateerd is aan de beweging van massa, is het mogelijk om zo'n concept als elektromagnetische massa te introduceren, en dan zal voor een eenheidsvolume deze verhouding (in overeenstemming met STR) het karakter aannemen van een universele natuurwet en geldig zijn voor elk stoffelijk lichaam, ongeacht de vorm van materie. Dan is het elektromagnetische veld vergelijkbaar met een materieel lichaam - het heeft energie W, massa m, momentum p en eindsnelheid v. Dat wil zeggen, het elektromagnetische veld is een van de vormen van materie die feitelijk in de natuur bestaan.

Laatste bevestiging van de theorie van Maxwell

In 1888 bevestigde Heinrich Hertz voor het eerst experimenteel de elektromagnetische theorie van Maxwell. Hij bewees empirisch de realiteit van elektromagnetische golven en bestudeerde hun eigenschappen zoals breking en absorptie in verschillende media, evenals de weerkaatsing van golven van metalen oppervlakken.

Hertz meet de golflengte electromagnetische straling, en toonde aan dat de voortplantingssnelheid van een elektromagnetische golf gelijk is aan de lichtsnelheid. Het experimentele werk van Hertz was de laatste stap op weg naar acceptatie van de elektromagnetische theorie van Maxwell. Zeven jaar later, in 1895, gebruikte de Russische natuurkundige Alexander Stepanovich Popov elektromagnetische golven om draadloze communicatie tot stand te brengen.

Elektromagnetische golven worden alleen opgewekt door versneld bewegende ladingen

In gelijkstroomcircuits bewegen de ladingen met een constante snelheid en worden de elektromagnetische golven in dit geval niet in de ruimte uitgezonden.Om straling te laten zijn, is het noodzakelijk om een ​​antenne te gebruiken waarin de wisselstromen, dat wil zeggen stromen die snel van richting veranderen, zouden opgewonden raken.

In zijn eenvoudigste vorm is een kleine elektrische dipool geschikt voor het uitstralen van elektromagnetische golven waarbij het dipoolmoment in de loop van de tijd snel zou veranderen. Zo'n dipool wordt tegenwoordig een "Hertz-dipool" genoemd, waarvan de grootte vele malen kleiner is dan de golflengte die hij uitzendt.

Wanneer uitgezonden door een Hertz-dipool, valt de maximale flux van elektromagnetische energie op een vlak loodrecht op de as van de dipool. Er is geen straling van elektromagnetische energie langs de as van de dipool. In de belangrijkste experimenten van Hertz werden elementaire dipolen gebruikt om elektromagnetische golven uit te zenden en te ontvangen, waarmee het bestaan ​​van elektromagnetische golven werd bewezen.