2. Beschreiben Sie die Erfahrung von Hertz beim Nachweis elektromagnetischer Wellen
Im Experiment von Hertz waren die Quelle der elektromagnetischen Störung elektromagnetische Schwingungen, die in einem Vibrator (einem Leiter mit einem Luftspalt in der Mitte) entstanden. An diesen Spalt wurde eine Hochspannung angelegt, die eine Funkenentladung verursachte. Nach einem Moment entstand im Resonator (einem analogen Vibrator) eine Funkenentladung. Der intensivste Funke entstand im Resonator, der sich parallel zum Vibrator befand.3. Erklären Sie die Ergebnisse des Hertz-Experiments unter Verwendung der Maxwell-Theorie. Warum ist eine elektromagnetische Welle transversal?
Der Strom durch den Entladungsspalt erzeugt um sich selbst herum eine Induktion, der magnetische Fluss nimmt zu und es tritt ein induktiver Verschiebungsstrom auf. Die Spannung an Punkt 1 (Abb. 155, b des Lehrbuchs) ist in der Zeichenebene gegen den Uhrzeigersinn gerichtet, an Punkt 2 ist der Strom nach oben gerichtet und verursacht Induktion an Punkt 3, die Spannung ist nach oben gerichtet. Reicht die Spannung für einen elektrischen Durchschlag der Luft im Spalt aus, entsteht ein Funke und es fließt ein Strom im Resonator.Denn die Richtungen der magnetischen Feldinduktionsvektoren und der elektrischen Feldstärke stehen senkrecht aufeinander und zur Richtung der Welle.
4. Warum entsteht bei der beschleunigten Bewegung elektrischer Ladungen die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen? Wie hängt die elektrische Feldstärke in einer abgestrahlten elektromagnetischen Welle von der Beschleunigung des strahlenden geladenen Teilchens ab?
Die Stärke des Stroms ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit geladener Teilchen, sodass eine elektromagnetische Welle nur auftritt, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit dieser Teilchen von der Zeit abhängt. Die Intensität der emittierten elektromagnetischen Welle ist direkt proportional zur Beschleunigung des emittierenden geladenen Teilchens.5. Wie hängt die Energiedichte eines elektromagnetischen Feldes von der Stärke des elektrischen Feldes ab?
Die Energiedichte eines elektromagnetischen Feldes ist direkt proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke.1864 sagte James Clerk Maxwell die Möglichkeit der Existenz elektromagnetischer Wellen im Weltraum voraus. Er legte diese Aussage auf der Grundlage der Schlussfolgerungen vor, die sich aus der Analyse aller damals bekannten experimentellen Daten über Elektrizität und Magnetismus ergaben.
Maxwell vereinheitlichte mathematisch die Gesetze der Elektrodynamik, die elektrische und magnetische Phänomene verbinden, und kam so zu dem Schluss, dass elektrische und magnetische Felder, die sich im Laufe der Zeit ändern, einander hervorrufen.
Er betonte zunächst, dass die Beziehung zwischen magnetischen und elektrischen Phänomenen nicht symmetrisch ist, und führte den Begriff „vortex electric field“ ein, womit er seine eigene, wirklich neue Erklärung für das von Faraday entdeckte Phänomen der elektromagnetischen Induktion lieferte: „Jede Veränderung in der Magnetfeld führt zum Auftreten eines den Raum umgebenden elektrischen Feldes eines Wirbels mit geschlossenen Kraftlinien.
Fair war laut Maxwell die umgekehrte Aussage, dass „ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld im umgebenden Raum hervorruft“, aber diese Aussage blieb zunächst nur eine Hypothese.
Maxwell schrieb ein System mathematischer Gleichungen auf, das die Gesetze der gegenseitigen Transformation von magnetischen und elektrischen Feldern konsistent beschrieb. Diese Gleichungen wurden später zu den Grundgleichungen der Elektrodynamik und wurden zu Ehren des großen Wissenschaftlers, der sie niederschrieb, als „Maxwellsche Gleichungen“ bekannt . Maxwells Hypothese, basierend auf den geschriebenen Gleichungen, hatte mehrere äußerst wichtige Schlussfolgerungen für Wissenschaft und Technologie, die unten aufgeführt sind.
Elektromagnetische Wellen existieren wirklich
Im Weltraum können transversale elektromagnetische Wellen existieren, die sich über die Zeit ausbreiten. Die Querrichtung der Wellen wird dadurch angezeigt, dass die Vektoren der magnetischen Induktion B und der elektrischen Feldstärke E senkrecht aufeinander stehen und beide in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer elektromagnetischen Welle liegen.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in einem Stoff ist endlich und wird durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Stoffes bestimmt, durch den sich die Welle ausbreitet. In diesem Fall ist die Länge der Sinuswelle λ durch eine bestimmte exakte Beziehung λ = υ / f mit der Geschwindigkeit υ verknüpft und hängt von der Frequenz f der Feldoszillationen ab. Die Geschwindigkeit c einer elektromagnetischen Welle im Vakuum ist eine der fundamentalen physikalischen Konstanten - die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Da Maxwell die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle für endlich erklärte, entstand ein Widerspruch zwischen seiner Hypothese und der damals akzeptierten Langstreckentheorie, wonach die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen unendlich sein sollte. Maxwells Theorie wurde daher die Theorie der Kurzstreckenwirkung genannt.
In einer elektromagnetischen Welle erfolgt die Umwandlung von elektrischen und magnetischen Feldern gleichzeitig, daher sind die Volumendichten von magnetischer Energie und elektrischer Energie gleich. Daher gilt die Behauptung, dass die Module der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldinduktion an jedem Raumpunkt durch folgende Beziehung miteinander verbunden sind:
Eine elektromagnetische Welle erzeugt bei ihrer Ausbreitung einen Fluss elektromagnetischer Energie, und wenn wir den Bereich in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle betrachten, wird sich in kurzer Zeit eine bestimmte Menge elektromagnetischer Energie durch sie bewegen. Die elektromagnetische Energieflussdichte ist die Energiemenge, die eine elektromagnetische Welle pro Zeiteinheit durch die Oberfläche einer Flächeneinheit transportiert. Durch Ersetzen der Geschwindigkeitswerte sowie der magnetischen und elektrischen Energie können wir einen Ausdruck für die Flussdichte in Bezug auf die Größen E und B erhalten.
Da die Richtung der Wellenenergieausbreitung mit der Richtung der Wzusammenfällt, kann der sich in einer elektromagnetischen Welle ausbreitende Energiefluss durch einen gleich gerichteten Vektor wie die Wangegeben werden. Dieser Vektor wird "Poynting-Vektor" genannt - zu Ehren des britischen Physikers Henry Poynting, der 1884 die Theorie der Ausbreitung des Energieflusses des elektromagnetischen Feldes entwickelte. Die Wellenenergieflussdichte wird in W/m² gemessen.
Wenn ein elektrisches Feld auf eine Substanz einwirkt, treten darin kleine Ströme auf, die eine geordnete Bewegung elektrisch geladener Teilchen sind. Diese Ströme im Magnetfeld einer elektromagnetischen Welle unterliegen der Wirkung der Ampère-Kraft, die tief in die Substanz gerichtet ist. Amperekraft und erzeugt dadurch Druck.
Dieses Phänomen wurde später, im Jahr 1900, von dem russischen Physiker Pyotr Nikolaevich Lebedev experimentell untersucht und bestätigt, dessen experimentelle Arbeit sehr wichtig für die Bestätigung von Maxwells Theorie des Elektromagnetismus und ihre Akzeptanz und Zustimmung in der Zukunft war.
Die Tatsache, dass eine elektromagnetische Welle Druck ausübt, ermöglicht es, das Vorhandensein eines mechanischen Impulses in einem elektromagnetischen Feld zu beurteilen, der für eine Volumeneinheit durch die volumetrische Dichte der elektromagnetischen Energie und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Vakuum ausgedrückt werden kann:
Da der Impuls mit der Bewegung der Masse verbunden ist, kann ein Begriff wie elektromagnetische Masse eingeführt werden, und dann wird dieses Verhältnis (gemäß SRT) für eine Volumeneinheit den Charakter eines universellen Naturgesetzes annehmen und sein gilt für alle materiellen Körper, unabhängig von der Form der Materie. Und das elektromagnetische Feld ist dann wie ein materieller Körper – es hat Energie W, Masse m, Impuls p und eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit v. Das heißt, das elektromagnetische Feld ist eine der Formen von Materie, die tatsächlich in der Natur existiert.
1888 bestätigte Heinrich Hertz erstmals experimentell Maxwells elektromagnetische Theorie. Er hat die Realität elektromagnetischer Wellen empirisch nachgewiesen und ihre Eigenschaften wie Brechung und Absorption in verschiedenen Medien sowie die Reflexion von Wellen an Metalloberflächen untersucht.
Hertz maß die Wellenlänge und zeigte, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Die experimentelle Arbeit von Hertz war der letzte Schritt zur Anerkennung der elektromagnetischen Theorie von Maxwell. Sieben Jahre später, im Jahr 1895, verwendete der russische Physiker Alexander Stepanovich Popov elektromagnetische Wellen, um drahtlose Kommunikation herzustellen.
In Gleichstromkreisen bewegen sich Ladungen mit konstanter Geschwindigkeit, und elektromagnetische Wellen werden in diesem Fall nicht in den Weltraum abgestrahlt. Damit Strahlung stattfinden kann, muss eine Antenne verwendet werden, in der Wechselströme, dh Ströme, die ihre Richtung schnell ändern, angeregt werden.
In seiner einfachsten Form eignet sich ein elektrischer Dipol kleiner Größe zur Aussendung elektromagnetischer Wellen, bei denen sich das Dipolmoment zeitlich schnell ändern würde. Es ist ein solcher Dipol, der heute als "Hertzscher Dipol" bezeichnet wird, dessen Größe um ein Vielfaches kleiner ist als die Länge der von ihm emittierten Welle.
Wenn er von einem Hertzschen Dipol emittiert wird, fällt der maximale Fluss elektromagnetischer Energie auf eine Ebene senkrecht zur Achse des Dipols. Entlang der Dipolachse wird keine elektromagnetische Energie abgestrahlt. In den wichtigsten Experimenten von Hertz wurden elementare Dipole sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen elektromagnetischer Wellen verwendet und die Existenz elektromagnetischer Wellen nachgewiesen.
M. Faraday führte das Konzept eines Feldes ein:
ein elektrostatisches Feld um eine ruhende Ladung
Um sich bewegende Ladungen (Strom) gibt es ein Magnetfeld.
1830 entdeckte M. Faraday das Phänomen der elektromagnetischen Induktion: Wenn sich das Magnetfeld ändert, entsteht ein elektrisches Wirbelfeld.
Abbildung 2.7 – Elektrisches Wirbelfeld
wo, 
- Vektor der elektrischen Feldstärke, 
- Vektor der magnetischen Induktion.
Ein magnetisches Wechselfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.
1862 D.K. Maxwell stellte eine Hypothese auf: Wenn sich das elektrische Feld ändert, entsteht ein Wirbelmagnetfeld.
Es entstand die Idee eines einzigen elektromagnetischen Feldes.
Abbildung 2.8 - Einheitliches elektromagnetisches Feld.
Das elektrische Wechselfeld erzeugt ein Wirbelmagnetfeld.
Elektromagnetisches Feld- das ist eine besondere Form der Materie - eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern. Variable elektrische und magnetische Felder existieren gleichzeitig und bilden ein einziges elektromagnetisches Feld. Es ist materiell:
Es manifestiert sich in Aktion sowohl bei ruhenden als auch bei sich bewegenden Ladungen;
Es breitet sich mit hoher, aber endlicher Geschwindigkeit aus;
Es existiert unabhängig von unserem Willen und unseren Wünschen.
Bei einer Ladungsrate von Null gibt es nur ein elektrisches Feld. Bei konstanter Laderate wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
Bei der beschleunigten Bewegung der Ladung wird eine elektromagnetische Welle ausgesendet, die sich mit endlicher Geschwindigkeit im Raum ausbreitet .
Die Entwicklung der Idee elektromagnetischer Wellen gehört Maxwell, aber Faraday wusste bereits von ihrer Existenz, obwohl er Angst hatte, das Werk zu veröffentlichen (es wurde mehr als 100 Jahre nach seinem Tod gelesen).
Die Hauptbedingung für die Entstehung einer elektromagnetischen Welle ist die beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen.
Was eine elektromagnetische Welle ist, kann man sich am folgenden Beispiel leicht vorstellen. Wenn Sie einen Kieselstein auf die Wasseroberfläche werfen, bilden sich auf der Oberfläche kreisförmig auseinanderlaufende Wellen. Sie bewegen sich mit einer bestimmten Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Quelle ihres Auftretens (Störung) weg. Für elektromagnetische Wellen sind Störungen elektrische und magnetische Felder, die sich im Raum bewegen. Ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld verursacht zwangsläufig ein magnetisches Wechselfeld und umgekehrt. Diese Felder sind miteinander verbunden.
Die Hauptquelle des Spektrums elektromagnetischer Wellen ist der Sonnenstern. Ein Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen sieht das menschliche Auge. Dieses Spektrum liegt zwischen 380...780 nm (Abb. 2.1). Im sichtbaren Spektrum nimmt das Auge Licht anders wahr. Elektromagnetische Schwingungen mit unterschiedlichen Wellenlängen bewirken die Empfindung von Licht mit unterschiedlichen Farben.
Abbildung 2.9 – Spektrum elektromagnetischer Wellen
Ein Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen wird für Rundfunk- und Fernsehübertragungen und -kommunikation genutzt. Die Quelle elektromagnetischer Wellen ist ein Draht (Antenne), in dem elektrische Ladungen schwanken. Der Prozess der Feldbildung, der in der Nähe des Drahtes begann, erfasst nach und nach Punkt für Punkt den gesamten Raum. Je höher die Frequenz des Wechselstroms ist, der durch den Draht fließt und ein elektrisches oder magnetisches Feld erzeugt, desto intensiver sind die vom Draht erzeugten Funkwellen einer bestimmten Länge.
Radio(lat. Radio - emittieren, Strahlen aussenden ← Radius - Strahl) - eine Art der drahtlosen Kommunikation, bei der sich frei im Raum ausbreitende Funkwellen als Signalträger verwendet werden.
Radiowellen(vom Funk...), elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge > 500 µm (Frequenz< 6×10 12 Гц).
Radiowellen sind elektrische und magnetische Felder, die sich im Laufe der Zeit ändern. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen im freien Raum beträgt 300.000 km/s. Daraus lässt sich die Länge der Funkwelle (m) bestimmen.
λ=300/f, wo f - Frequenz (MHz)
Die während eines Telefongesprächs erzeugten Schallschwingungen der Luft werden von einem Mikrofon in elektrische Schwingungen mit Schallfrequenz umgewandelt, die über Drähte an die Geräte des Teilnehmers übertragen werden. Dort, am anderen Ende der Leitung, werden sie mit Hilfe des Senders des Telefons in Luftschwingungen umgewandelt, die der Teilnehmer als Töne wahrnimmt. In der Telefonie sind die Kommunikationsmittel Drähte, im Rundfunk Radiowellen.
Das "Herz" des Senders eines jeden Radiosenders ist ein Generator - ein Gerät, das Schwingungen mit einer hohen, aber streng konstanten Frequenz für einen bestimmten Radiosender erzeugt. Diese auf die erforderliche Leistung verstärkten Hochfrequenzschwingungen treten in die Antenne ein und regen im umgebenden Raum elektromagnetische Schwingungen mit genau derselben Frequenz an - Radiowellen. Die Entfernungsgeschwindigkeit von Funkwellen von der Antenne des Radiosenders entspricht der Lichtgeschwindigkeit: 300.000 km / s, was fast eine Million Mal schneller ist als die Schallausbreitung in der Luft. Das bedeutet, wenn ein Sender zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Moskauer Rundfunkstation eingeschaltet würde, würden seine Funkwellen Wladiwostok in weniger als 1/30 s erreichen, und der Ton hätte während dieser Zeit Zeit, sich nur 10- 11 m.
Funkwellen breiten sich nicht nur in der Luft aus, sondern auch dort, wo keine sind, zum Beispiel im Weltall. Darin unterscheiden sie sich von Schallwellen, für die Luft oder ein anderes dichtes Medium wie Wasser zwingend erforderlich ist.
Elektromagnetische Welle
ist ein elektromagnetisches Feld, das sich im Raum ausbreitet (Schwingungen von Vektoren 
). In der Nähe der Ladung ändern sich die elektrischen und magnetischen Felder mit einer Phasenverschiebung p/2.
Abbildung 2.10 - Einheitliches elektromagnetisches Feld.
In großer Entfernung von der Ladung ändert sich die Phase der elektrischen und magnetischen Felder.
Abbildung 2.11 - Phasengleiche Änderung elektrischer und magnetischer Felder.
Die elektromagnetische Welle ist transversal.
Die Richtung der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle fällt mit der Bewegungsrichtung der rechten Schraube zusammen, wenn der Griff des Vektorbohrers gedreht wird 
zum Vektor 
.
Abbildung 2.12 - Elektromagnetische Welle.
Darüber hinaus ist in einer elektromagnetischen Welle die Beziehung 
, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Maxwell berechnete theoretisch die Energie und Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen.
Auf diese Weise, Wellenenergie ist direkt proportional zur vierten Potenz der Frequenz. Das heißt, um die Welle leichter fixieren zu können, muss sie eine hohe Frequenz haben.
Elektromagnetische Wellen wurden von G. Hertz (1887) entdeckt.
Ein geschlossener Schwingkreis strahlt keine elektromagnetischen Wellen aus: Die gesamte Energie des elektrischen Felds des Kondensators wird in die Energie des Magnetfelds der Spule umgewandelt. Die Schwingfrequenz wird durch die Parameter des Schwingkreises bestimmt: 
.
Abbildung 2.13 - Schwingkreis.
Um die Frequenz zu erhöhen, ist es notwendig, L und C zu verringern, d.h. Drehen Sie die Spule zu einem geraden Draht und, wie 
, reduzieren Sie die Fläche der Platten und verteilen Sie sie auf die maximale Entfernung. Dies zeigt, dass wir im Wesentlichen einen geraden Leiter erhalten.
Ein solches Gerät wird als Hertz-Vibrator bezeichnet. Die Mitte wird abgeschnitten und mit einem Hochfrequenztransformator verbunden. Zwischen den Enden der Drähte, an denen kleine kugelförmige Leiter befestigt sind, springt ein elektrischer Funke über, der die Quelle der elektromagnetischen Welle ist. Die Welle breitet sich so aus, dass der Vektor der elektrischen Feldstärke in der Ebene schwingt, in der sich der Leiter befindet.
Abbildung 2.14 - Hertz-Vibrator.
Wenn derselbe Leiter (Antenne) parallel zum Sender platziert wird, schwingen die darin enthaltenen Ladungen und schwache Funken springen zwischen den Leitern über.
Hertz entdeckte in einem Experiment elektromagnetische Wellen und maß ihre Geschwindigkeit, die mit der von Maxwell berechneten übereinstimmte und gleich c=3 war. 10 8 m/s.
Ein elektrisches Wechselfeld erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das wiederum ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, dh eine Antenne, die eines der Felder anregt, verursacht das Auftreten eines einzelnen elektromagnetischen Felds. Die wichtigste Eigenschaft dieses Feldes ist, dass es sich in Form von elektromagnetischen Wellen ausbreitet.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in einem verlustfreien Medium hängt von der relativ dielektrischen und magnetischen Permeabilität des Mediums ab. Für Luft ist die magnetische Permeabilität des Mediums gleich eins, daher ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in diesem Fall gleich der Lichtgeschwindigkeit.
Die Antenne kann ein vertikaler Draht sein, der von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird. Der Generator verbraucht Energie, um die Bewegung freier Elektronen im Leiter zu beschleunigen, und diese Energie wird in ein elektromagnetisches Wechselfeld, dh elektromagnetische Wellen, umgewandelt. Je höher die Generatorstromfrequenz, desto schneller ändert sich das elektromagnetische Feld und desto intensiver ist die Wellenheilung.
Mit dem Antennendraht ist sowohl ein elektrisches Feld verbunden, dessen Kraftlinien bei positiven Ladungen beginnen und bei negativen Ladungen enden, als auch ein magnetisches Feld, dessen Linien sich um den Strom des Drahtes schließen. Je kürzer die Schwingungsdauer ist, desto weniger Zeit bleibt der Energie der gebundenen Felder, um zum Draht (dh zum Generator) zurückzukehren, und desto mehr geht sie in freie Felder über, die sich in Form von elektromagnetischen Wellen weiter ausbreiten. Eine effektive Abstrahlung elektromagnetischer Wellen erfolgt unter der Bedingung der Verhältnismäßigkeit der Wellenlänge und der Länge des abstrahlenden Drahtes.
Somit kann festgestellt werden, dass Radiowelle- Dies ist ein elektromagnetisches Feld, das nicht mit dem Sender und den kanalbildenden Geräten verbunden ist und sich in Form einer Welle mit einer Schwingungsfrequenz von 10 -3 bis 10 12 Hz frei im Raum ausbreitet.
Schwingungen von Elektronen in der Antenne werden durch eine Quelle periodisch wechselnder EMF mit einer Periode erzeugt T. Hatte das Feld an der Antenne einmal einen Maximalwert, so wird es nach einiger Zeit denselben Wert haben T. Während dieser Zeit bewegt sich das elektromagnetische Feld, das im ersten Moment an der Antenne vorhanden war, auf Distanz
λ = υТ (1)
Der minimale Abstand zwischen zwei Punkten im Raum, an denen das Feld den gleichen Wert hat, wird genannt Wellenlänge. Wie aus (1) folgt, die Wellenlänge λ hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Schwingungsdauer der Elektronen in der Antenne ab. Als Frequenz aktuell f = 1 / T, dann die Wellenlänge λ = υ / f .
Die Funkverbindung umfasst die folgenden Hauptteile:
Sender
Empfänger
Das Medium, in dem sich Funkwellen ausbreiten.
Sender und Empfänger sind steuerbare Elemente der Funkstrecke, da es möglich ist, die Sendeleistung zu erhöhen, eine leistungsfähigere Antenne anzuschließen und die Empfindlichkeit des Empfängers zu erhöhen. Das Medium ist ein unkontrolliertes Element der Funkverbindung.
Der Unterschied zwischen einer Funkkommunikationsleitung und drahtgebundenen Leitungen besteht darin, dass drahtgebundene Leitungen Drähte oder Kabel als Verbindungsglied verwenden, die gesteuerte Elemente sind (Sie können ihre elektrischen Parameter ändern).
Viele Muster von Wellenprozessen sind universeller Natur und gelten gleichermaßen für Wellen unterschiedlicher Art: mechanische Wellen in einem elastischen Medium, Wellen auf der Wasseroberfläche, in einer gespannten Saite usw. Elektromagnetische Wellen, die der Prozess der Ausbreitung sind elektromagnetische Feldoszillationen, sind keine Ausnahme. Aber im Gegensatz zu anderen Wellenarten, die sich in einem materiellen Medium ausbreiten, können sich elektromagnetische Wellen im Vakuum ausbreiten: Für die Ausbreitung elektrischer und magnetischer Felder ist kein materielles Medium erforderlich. Elektromagnetische Wellen können jedoch nicht nur im Vakuum, sondern auch in Materie existieren.
Vorhersage elektromagnetischer Wellen. Die Existenz elektromagnetischer Wellen wurde von Maxwell als Ergebnis der Analyse seines vorgeschlagenen Gleichungssystems zur Beschreibung des elektromagnetischen Feldes theoretisch vorhergesagt. Maxwell zeigte, dass ein elektromagnetisches Feld im Vakuum auch ohne Quellen - Ladungen und Ströme - existieren kann. Ein quellenloses Feld hat die Form von sich mit endlicher Geschwindigkeit cm/s ausbreitenden Wellen, bei denen die Vektoren der elektrischen und magnetischen Felder zu jedem Zeitpunkt an jedem Raumpunkt senkrecht aufeinander und senkrecht zur Wellenrichtung stehen Vermehrung.
Experimentell wurden elektromagnetische Wellen nur 10 Jahre nach Maxwells Tod von Hertz entdeckt und untersucht.
offener Vibrator. Um zu verstehen, wie elektromagnetische Wellen experimentell gewonnen werden können, betrachten wir einen „offenen“ Schwingkreis, bei dem die Kondensatorplatten auseinander bewegt werden (Abb. 176) und daher das elektrische Feld einen großen Raum einnimmt. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Platten nimmt die Kapazität C des Kondensators ab und gemäß der Thomson-Formel nimmt die Frequenz der Eigenschwingungen zu. Ersetzen wir zusätzlich die Induktivität durch ein Stück Draht, so sinkt die Induktivität und die Eigenfrequenz steigt noch weiter an. In diesem Fall nimmt nun nicht nur das elektrische, sondern auch das magnetische Feld, das zuvor in der Spule eingeschlossen war, einen großen Raumbereich ein, der diesen Draht bedeckt.
Eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz im Stromkreis sowie eine Erhöhung seiner linearen Abmessungen führen dazu, dass die natürliche Periode
Schwingungen wird vergleichbar mit der Laufzeit des elektromagnetischen Feldes entlang des gesamten Stromkreises. Damit können die Vorgänge elektromagnetischer Eigenschwingungen in einem solchen offenen Stromkreis nicht mehr als quasistationär betrachtet werden.
Reis. 176. Übergang von einem Schwingkreis zu einem offenen Vibrator
Die Stromstärke an ihren verschiedenen Stellen ist gleichzeitig unterschiedlich: An den Enden des Stromkreises ist sie immer Null, und in der Mitte (wo früher die Spule war) schwingt sie mit maximaler Amplitude.
Im Grenzfall, wenn sich der Schwingkreis einfach in ein gerades Drahtstück verwandelt hat, ist die Stromverteilung entlang des Kreises zu einem bestimmten Zeitpunkt in Abb. 177a. In dem Moment, in dem die Stromstärke in einem solchen Vibrator maximal ist, erreicht auch das ihn bedeckende Magnetfeld ein Maximum, und es gibt kein elektrisches Feld in der Nähe des Vibrators. Nach einem Viertel der Periode verschwindet die Stromstärke und damit das Magnetfeld in der Nähe des Vibrators; elektrische Ladungen sind in der Nähe der Enden des Vibrators konzentriert, und ihre Verteilung hat die in Abb. 1776. Das elektrische Feld in der Nähe des Vibrators ist in diesem Moment maximal.
Reis. 177. Verteilung der Stromstärke im Moment des Maximums (a) entlang eines offenen Vibrators und Verteilung der Ladungen nach einem Viertel der Periode (b)
Diese Ladungs- und Stromschwingungen, also elektromagnetische Schwingungen in einem offenen Schwinger, sind ganz analog zu den mechanischen Schwingungen, die in einer Schwingerfeder auftreten können, wenn der daran befestigte massive Körper entfernt wird. In diesem Fall muss die Masse der einzelnen Teile der Feder berücksichtigt und als verteiltes System betrachtet werden, in dem jedes Element sowohl elastische als auch träge Eigenschaften hat. Bei einem offenen elektromagnetischen Vibrator hat jedes seiner Elemente gleichzeitig sowohl Induktivität als auch Kapazität.
Elektrische und magnetische Felder des Vibrators. Die nicht quasistationäre Natur der Schwingungen eines offenen Vibrators führt dazu, dass sich die von seinen einzelnen Abschnitten erzeugten Felder in einem bestimmten Abstand vom Vibrator nicht mehr gegenseitig kompensieren, wie dies bei einem „geschlossenen“ Schwingkreis der Fall ist konzentrierte Parameter, bei denen die Schwingungen quasi stationär sind, das elektrische Feld vollständig im Kondensator konzentriert ist und magnetisch - im Inneren der Spule. Aufgrund einer solchen räumlichen Trennung von elektrischen und magnetischen Feldern stehen sie nicht in direktem Zusammenhang: Ihre gegenseitige Umwandlung beruht nur auf der Strom-Ladungs-Übertragung entlang des Stromkreises.
An einem offenen Vibrator, wo sich elektrische und magnetische Felder räumlich überlagern, kommt es zu ihrer gegenseitigen Beeinflussung: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld, und ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld. Dadurch ist die Existenz solcher "autarker" Felder möglich, die sich im freien Raum in großer Entfernung vom Vibrator ausbreiten. Das sind die elektromagnetischen Wellen, die der Vibrator aussendet.
Experimente von Hertz. Der Vibrator, mit dessen Hilfe G. Hertz 1888 erstmals experimentell elektromagnetische Wellen gewann, war ein gerader Leiter mit einem kleinen Luftspalt in der Mitte (Abb. 178a). Dank dieser Lücke konnten erhebliche Ladungen auf die beiden Hälften des Vibrators übertragen werden. Erreichte die Potentialdifferenz einen bestimmten Grenzwert, kam es zu einem Durchschlag im Luftspalt (Funkensprung) und elektrische Ladungen konnten durch die ionisierte Luft von einer Hälfte des Vibrators zur anderen fließen. In einem offenen Stromkreis entstanden elektromagnetische Schwingungen. Damit schnelle Wechselströme nur im Vibrator vorhanden sind und nicht durch die Stromquelle schließen, wurden Drosseln zwischen Vibrator und Quelle geschaltet (siehe Abb. 178a).
Reis. 178. Hertz-Vibrator
Hochfrequente Schwingungen im Vibrator existieren, solange der Funke den Spalt zwischen seinen Hälften schließt. Die Dämpfung solcher Schwingungen im Vibrator erfolgt hauptsächlich nicht durch Joule-Verluste am Widerstand (wie bei einem geschlossenen Schwingkreis), sondern durch die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen.
Zur Detektion elektromagnetischer Wellen verwendete Hertz einen zweiten (Empfangs-)Vibrator (Abb. 1786). Unter der Wirkung eines elektrischen Wechselfeldes einer vom Sender kommenden Welle führen die Elektronen im empfangenden Schwinger erzwungene Schwingungen aus, d.h. im Schwinger wird ein schneller Wechselstrom angeregt. Wenn der empfangende Schwinger die gleichen Abmessungen hat wie der strahlende, dann stimmen die Frequenzen der elektromagnetischen Eigenschwingungen in ihnen überein und die erzwungenen Schwingungen im empfangenden Schwinger erreichen durch Resonanz einen merklichen Wert. Diese Schwingungen wurden von Hertz durch den Durchgang eines Funkens in einem mikroskopischen Spalt in der Mitte des empfangenden Vibrators oder durch das Glühen einer Miniatur-Gasentladungsröhre G festgestellt, die zwischen den Hälften des Vibrators angeschlossen war.
Hertz hat nicht nur die Existenz elektromagnetischer Wellen experimentell bewiesen, sondern zum ersten Mal begonnen, ihre Eigenschaften zu untersuchen - Absorption und Brechung in verschiedenen Medien, Reflexion an Metalloberflächen usw. Experimentell war es auch möglich, die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen zu messen, was sich als gleich der Lichtgeschwindigkeit herausstellte.
Die Übereinstimmung der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen mit der Lichtgeschwindigkeit, die lange vor ihrer Entdeckung gemessen wurde, diente als Ausgangspunkt für die Identifizierung von Licht mit elektromagnetischen Wellen und die Erstellung einer elektromagnetischen Lichttheorie.
Eine elektromagnetische Welle existiert ohne Feldquellen in dem Sinne, dass das elektromagnetische Feld der Welle nach ihrer Emission nicht mit der Quelle verbunden ist. Auf diese Weise unterscheidet sich eine elektromagnetische Welle von statischen elektrischen und magnetischen Feldern, die nicht isoliert von der Quelle existieren.
Strahlungsmechanismus elektromagnetischer Wellen. Die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen erfolgt durch die beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen. Es ist möglich zu verstehen, wie das transversale elektrische Feld einer Welle aus dem radialen Coulomb-Feld einer Punktladung entsteht, indem man die folgende einfache von J. Thomson vorgeschlagene Überlegung anwendet.
Reis. 179. Feld einer unbeweglichen Punktladung
Betrachten Sie das von einer Punktladung erzeugte elektrische Feld: Wenn die Ladung ruht, dann wird ihr elektrostatisches Feld durch radiale Kraftlinien dargestellt, die von der Ladung ausgehen (Abb. 179). In dem Moment, in dem sich die Ladung unter der Wirkung einer äußeren Kraft mit einer Beschleunigung a zu bewegen beginnt und nach einiger Zeit die Wirkung dieser Kraft aufhört, bewegt sich die Ladung gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit weiter in Abb. gezeigt. 180.
Stellen Sie sich ein Bild der elektrischen Feldlinien vor, die diese Ladung nach langer Zeit erzeugt: Da sich das elektrische Feld mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet,
dann könnte die durch die Bewegung der Ladung verursachte Änderung des elektrischen Feldes die außerhalb der Radiuskugel liegenden Punkte nicht erreichen: Außerhalb dieser Kugel ist das Feld dasselbe wie bei einer stationären Ladung (Abb. 181). Die Stärke dieses Feldes (im Gaußschen Einheitensystem) ist gleich
Die gesamte Änderung des elektrischen Feldes, die durch die beschleunigte Bewegung der Ladung im Laufe der Zeit zum Zeitpunkt der Zeit verursacht wird, befindet sich innerhalb einer dünnen sphärischen Dickenschicht, deren äußerer Radius gleich ist und der innere - Dies ist in Abb. 181. Innerhalb der Radiuskugel ist das elektrische Feld das Feld einer gleichförmig bewegten Ladung.
Reis. 180. Diagramm der Laderate
Reis. 181. Linien der elektrischen Feldstärke einer Ladung, die sich gemäß dem Diagramm in Abb. 1 bewegt. 180
Reis. 182. Zur Herleitung der Formel für die Intensität des Strahlungsfeldes einer beschleunigt bewegten Ladung
Wenn die Ladungsgeschwindigkeit viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c ist, dann fällt dieses Feld im Moment mit dem Feld einer stationären Punktladung zusammen, die sich in einiger Entfernung vom Anfang befindet (Abb. 181): dem Feld einer langsamen Ladung bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit mit, und die von der Ladung über die Zeit zurückgelegte Strecke, wie aus Abb. 180, kann als gleich angesehen werden, wenn r»t.
Das Bild des elektrischen Feldes innerhalb der sphärischen Schicht ist angesichts der Kontinuität der Kraftlinien leicht zu finden. Dazu müssen Sie die entsprechenden radialen Kraftlinien verbinden (Abb. 181). Der Knick in den Kraftlinien, der durch die beschleunigte Bewegung der Ladung verursacht wird, "läuft" mit einer Geschwindigkeit c von der Ladung weg. Ein Knick in den Kraftlinien dazwischen
Kugeln, das ist das für uns interessierende Strahlungsfeld, das sich mit einer Geschwindigkeit c ausbreitet.
Um das Strahlungsfeld zu finden, betrachten Sie eine der Intensitätslinien, die mit der Richtung der Ladungsbewegung einen bestimmten Winkel bildet (Abb. 182). Wir zerlegen den Vektor der elektrischen Feldstärke im Bruch E in zwei Komponenten: radial und transversal Die radiale Komponente ist die Stärke des elektrostatischen Feldes, das von der Ladung in einem Abstand davon erzeugt wird:
Die Querkomponente ist die Stärke des elektrischen Feldes in der Welle, die von der Ladung während einer beschleunigten Bewegung emittiert wird. Da diese Welle entlang des Radius verläuft, steht der Vektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Von Abb. 182 zeigt das
Setzen wir hier von (2) ein, finden wir
Da ein Verhältnis die Beschleunigung a ist, mit der sich die Ladung während des Zeitintervalls von 0 bis bewegt hat, schreiben wir diesen Ausdruck in die Form um
Zunächst einmal achten wir darauf, dass die Stärke des elektrischen Feldes der Welle umgekehrt mit der Entfernung vom Zentrum abnimmt, im Gegensatz zur Stärke des elektrostatischen Feldes, die proportional zu einer solchen Abstandsabhängigkeit ist, und zu erwarten ist, wenn wir den Energieerhaltungssatz berücksichtigen. Da bei der Ausbreitung einer Welle in einem Hohlraum keine Energie absorbiert wird, ist die Energiemenge, die eine Kugel mit beliebigem Radius durchdrungen hat, gleich. Da die Oberfläche einer Kugel proportional zum Quadrat ihres Radius ist, muss der Energiefluss durch eine Einheit ihrer Oberfläche umgekehrt proportional zum Quadrat des Radius sein. Wenn man bedenkt, dass die Energiedichte des elektrischen Feldes der Welle gleich ist, schließen wir daraus
Ferner stellen wir fest, dass die Feldstärke der Welle in Formel (4) zu dem Zeitpunkt von der Beschleunigung der Ladung abhängt und die zu dem Zeitpunkt abgestrahlte Welle nach einiger Zeit einen entfernt liegenden Punkt erreicht gleicht
Strahlung einer oszillierenden Ladung. Nehmen wir nun an, dass sich die Ladung die ganze Zeit entlang einer geraden Linie mit einer variablen Beschleunigung in der Nähe des Ursprungs bewegt, zum Beispiel führt sie harmonische Schwingungen aus. Solange dies der Fall ist, sendet es kontinuierlich elektromagnetische Wellen aus. Die elektrische Feldstärke der Welle an einem vom Koordinatenursprung entfernten Punkt wird immer noch durch Formel (4) bestimmt, und das Feld zum Zeitpunkt hängt von der Beschleunigung der Ladung a zu einem früheren Zeitpunkt ab
Die Bewegung der Ladung sei eine harmonische Schwingung in der Nähe des Ursprungs mit einer bestimmten Amplitude A und Frequenz w:
Die Beschleunigung der Ladung während einer solchen Bewegung ist durch den Ausdruck gegeben
Durch Einsetzen der Ladungsbeschleunigung in Formel (5) erhalten wir
Eine Änderung des elektrischen Feldes zu irgendeinem Zeitpunkt während des Durchgangs einer solchen Welle ist eine harmonische Schwingung mit einer Frequenz , d.h. eine schwingende Ladung strahlt eine monochromatische Welle aus. Natürlich gilt Formel (8) bei Abständen, die größer sind als die Amplitude der Ladungsschwingungen A.
Die Energie einer elektromagnetischen Welle. Die Energiedichte des elektrischen Feldes einer von einer Ladung emittierten monochromatischen Welle kann mit Formel (8) ermittelt werden:
Die Energiedichte ist proportional zum Quadrat der Amplitude der Ladungsschwingung und der vierten Potenz der Frequenz.
Jede Fluktuation ist mit periodischen Energieübergängen von einer Form zur anderen und umgekehrt verbunden. Beispielsweise werden Schwingungen eines mechanischen Oszillators von gegenseitigen Umwandlungen von kinetischer Energie und potentieller Energie der elastischen Verformung begleitet. Bei der Untersuchung elektromagnetischer Schwingungen in einem Stromkreis haben wir gesehen, dass das Analogon der potentiellen Energie eines mechanischen Oszillators die Energie des elektrischen Felds im Kondensator und das Analogon der kinetischen Energie die Energie des Magnetfelds der Spule ist. Diese Analogie gilt nicht nur für lokalisierte Schwingungen, sondern auch für Wellenprozesse.
Bei einer monochromatischen Welle, die sich in einem elastischen Medium bewegt, führen die kinetischen und potentiellen Energiedichten an jedem Punkt harmonische Schwingungen mit doppelter Frequenz aus, und zwar so, dass ihre Werte jederzeit übereinstimmen. Dasselbe gilt für eine monochromatische elektromagnetische Wanderwelle: Die Energiedichten der elektrischen und magnetischen Felder, die eine harmonische Schwingung mit einer Frequenz erzeugen, sind an jedem Punkt zu jeder Zeit gleich.
Die magnetische Feldenergiedichte wird in Bezug auf die Induktion B wie folgt ausgedrückt:
Durch die Gleichsetzung der Energiedichten von elektrischem und magnetischem Feld in einer elektromagnetischen Wanderwelle sind wir überzeugt, dass die magnetische Feldinduktion in einer solchen Welle genauso koordinaten- und zeitabhängig ist wie die elektrische Feldstärke. Mit anderen Worten, bei einer Wanderwelle sind die magnetische Feldinduktion und die elektrische Feldstärke an jedem Punkt zu jeder Zeit gleich (im Gaußschen Einheitensystem):
Energiefluss einer elektromagnetischen Welle. Die Gesamtenergiedichte des elektromagnetischen Feldes in der Wanderwelle ist doppelt so hoch wie die Energiedichte des elektrischen Feldes (9). Die von der Welle getragene Energieflussdichte y ist gleich dem Produkt aus Energiedichte und W. Unter Verwendung von Formel (9) kann man sehen, dass der Energiefluss durch jede Oberfläche mit einer Frequenz oszilliert Um den Durchschnittswert der Energieflussdichte zu finden, ist es notwendig, den Ausdruck (9) über die Zeit zu mitteln. Da der Mittelwert 1/2 ist, erhalten wir
Reis. 183. Winkelverteilung der von einer oszillierenden Ladung abgegebenen Energie
Die Energieflussdichte einer Welle ist richtungsabhängig: In die Richtung, in der Ladungsschwingungen auftreten, wird überhaupt keine Energie abgestrahlt, in einer Ebene senkrecht zu dieser Richtung wird die größte Energie abgestrahlt. 183. Eine Ladung schwingt entlang einer Achse
Energierichtung, d.h. das Diagramm zeigt eine Linie, die die Enden dieser Segmente verbindet.
Die Energieverteilung in Raumrichtungen ist durch eine Fläche gekennzeichnet, die man durch Drehung des Diagramms um die Achse erhält
Polarisation elektromagnetischer Wellen. Die vom Vibrator bei harmonischen Schwingungen erzeugte Welle wird als monochromatisch bezeichnet. Eine monochromatische Welle ist durch eine bestimmte Frequenz co und Wellenlänge X gekennzeichnet. Die Wellenlänge und Frequenz hängen über die Wc zusammen:
Eine elektromagnetische Welle im Vakuum ist transversal: Der Vektor der elektromagnetischen Feldstärke der Welle steht, wie aus der obigen Überlegung ersichtlich, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Lassen Sie uns den Beobachtungspunkt Р in Abb. durchziehen. 184 Kugel im Ursprung zentriert, um die die strahlende Ladung entlang der Achse oszilliert. Zeichnen Sie Parallelen und Meridiane darauf. Dann ist der Vektor E des Wellenfeldes tangential zum Meridian gerichtet, und der Vektor B steht senkrecht auf dem Vektor E und ist tangential zur Parallelen gerichtet.
Um dies zu verifizieren, betrachten wir den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern in einer Wanderwelle genauer. Diese Felder sind nach dem Aussenden der Welle nicht mehr der Quelle zugeordnet. Wenn sich das elektrische Feld der Welle ändert, entsteht ein magnetisches Feld, dessen Kraftlinien, wie wir beim Studium des Verschiebungsstroms gesehen haben, senkrecht zu den Kraftlinien des elektrischen Felds stehen. Dieses sich ändernde magnetische Wechselfeld führt wiederum zum Auftreten eines elektrischen Wirbelfeldes, das senkrecht zu dem Magnetfeld steht, das es erzeugt hat. Während der Ausbreitung einer Welle unterstützen sich also das elektrische und das magnetische Feld gegenseitig und bleiben die ganze Zeit über senkrecht zueinander. Da sich bei einer Wanderwelle elektrisches und magnetisches Feld in Phase ändern, hat das momentane „Porträt“ der Welle (Vektoren E und B an verschiedenen Punkten der Linie entlang der Ausbreitungsrichtung) die in Abb. 185. Eine solche Welle heißt linear polarisiert. Eine harmonisch schwingende Ladung strahlt linear polarisierte Wellen in alle Richtungen ab. Bei einer linear polarisierten Welle, die sich in beliebiger Richtung ausbreitet, liegt der Vektor E immer in derselben Ebene.
Da die Ladungen in einem linearen elektromagnetischen Vibrator genau eine solche oszillierende Bewegung ausführen, ist die vom Vibrator emittierte elektromagnetische Welle linear polarisiert. Es ist leicht, dies experimentell zu überprüfen, indem man die Ausrichtung des empfangenden Vibrators relativ zum sendenden ändert.
Reis. 185. Elektrische und magnetische Felder in einer linear polarisierten Wanderwelle
Das Signal ist am größten, wenn der empfangende Vibrator parallel zum sendenden liegt (siehe Abb. 178). Dreht man den empfangenden Vibrator senkrecht zum sendenden Vibrator, dann verschwindet das Signal. Elektrische Schwingungen im empfangenden Vibrator können nur aufgrund der Komponente des elektrischen Felds der entlang des Vibrators gerichteten Welle auftreten. Daher zeigt ein solches Experiment, dass das elektrische Feld in der Welle parallel zum strahlenden Vibrator ist.
Auch andere Polarisationsarten transversaler elektromagnetischer Wellen sind möglich. Dreht sich beispielsweise der Vektor E irgendwann beim Durchgang der Welle gleichmäßig um die Ausbreitungsrichtung und bleibt im Betrag unverändert, so heißt die Welle zirkular polarisiert oder im Kreis polarisiert. Ein sofortiges "Porträt" des elektrischen Feldes einer solchen elektromagnetischen Welle ist in Abb. 186.
Reis. 186. Elektrisches Feld in einer zirkular polarisierten Wanderwelle
Eine zirkular polarisierte Welle kann durch Addition zweier linear polarisierter Wellen gleicher Frequenz und Amplitude erhalten werden, die sich in gleicher Richtung ausbreiten und deren elektrische Feldvektoren senkrecht aufeinander stehen. In jeder der Wellen führt der elektrische Feldvektor an jedem Punkt eine harmonische Schwingung aus. Damit die Summe solcher senkrecht zueinander stehenden Schwingungen zu einer Drehung des resultierenden Vektors führt, ist eine Phasenverschiebung notwendig, dh die addierten linear polarisierten Wellen müssen um eine viertel Wellenlänge gegeneinander verschoben sein.
Wellenimpuls und leichter Druck. Eine elektromagnetische Welle hat neben Energie auch Impuls. Wenn eine Welle absorbiert wird, dann wird ihr Impuls auf das Objekt übertragen, das sie absorbiert. Daraus folgt, dass die elektromagnetische Welle während der Absorption Druck auf die Barriere ausübt. Der Ursprung des Wellendrucks und der Wert dieses Drucks können wie folgt erklärt werden.
In einer geraden Linie gerichtet. Dann ist die von der Ladung P aufgenommene Leistung gleich
Wir nehmen an, dass die gesamte Energie der einfallenden Welle von der Barriere absorbiert wird. Da die Welle pro Zeiteinheit Energie pro Flächeneinheit der Barrierenoberfläche bringt, ist der Druck, den die Welle bei senkrechtem Einfall ausübt, gleich der Energiedichte der Welle, die die Druckkraft der absorbierten elektromagnetischen Welle pro Einheit auf die Barriere ausübt Zeit einen Impuls, der nach Formel (15) gleich der absorbierten Energie dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit ist. Und das bedeutet, dass die absorbierte elektromagnetische Welle einen Impuls hatte, der gleich der Energie dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit ist.
Zum ersten Mal wurde der Druck elektromagnetischer Wellen von P. N. Lebedev im Jahr 1900 in äußerst subtilen Experimenten experimentell entdeckt.
Wie unterscheiden sich quasistationäre elektromagnetische Schwingungen in einem geschlossenen Schwingkreis von hochfrequenten Schwingungen in einem offenen Vibrator? Geben Sie mir eine mechanische Analogie.
Erklären Sie, warum elektromagnetische Wellen bei elektromagnetischen quasistationären Schwingungen nicht in einem geschlossenen Kreis abstrahlen. Warum entsteht bei elektromagnetischen Schwingungen in einem offenen Vibrator Strahlung?
Beschreiben und erklären Sie die Experimente von Hertz zur Anregung und Detektion elektromagnetischer Wellen. Welche Rolle spielt die Funkenstrecke bei den sendenden und empfangenden Vibratoren?
Erklären Sie, wie sich bei der beschleunigten Bewegung einer elektrischen Ladung ein longitudinales elektrostatisches Feld in ein transversales elektrisches Feld einer von ihr emittierten elektromagnetischen Welle verwandelt.
Zeigen Sie anhand energetischer Betrachtungen, dass die elektrische Feldstärke der vom Schwinger ausgesendeten Kugelwelle mit 1 1r abnimmt (im Gegensatz zum elektrostatischen Feld).
Was ist eine monochromatische elektromagnetische Welle? Was ist eine Wellenlänge? Wie hängt es mit der Frequenz zusammen? Was ist die transversale Eigenschaft elektromagnetischer Wellen?
Was ist die Polarisation einer elektromagnetischen Welle? Welche Arten von Polarisierung kennen Sie?
Welche Argumente können Sie anführen, um die Tatsache zu rechtfertigen, dass eine elektromagnetische Welle einen Impuls hat?
Erklären Sie die Rolle der Lorentzkraft beim Auftreten der elektromagnetischen Wellendruckkraft auf die Barriere.
1860-1865. einer der größten Physiker des 19. Jahrhunderts James Clerk Maxwell eine Theorie erstellt elektromagnetisches Feld. Nach Maxwell wird das Phänomen der elektromagnetischen Induktion wie folgt erklärt. Ändert sich an einer Stelle im Raum das Magnetfeld mit der Zeit, dann bildet sich dort auch ein elektrisches Feld aus. Befindet sich im Feld ein geschlossener Leiter, so verursacht das elektrische Feld darin einen Induktionsstrom. Aus Maxwells Theorie folgt, dass auch der umgekehrte Vorgang möglich ist. Ändert sich in einem Raumgebiet das elektrische Feld mit der Zeit, so bildet sich auch hier ein magnetisches Feld aus.
Somit führt jede zeitliche Änderung des Magnetfelds zu einem sich ändernden elektrischen Feld, und jede zeitliche Änderung des elektrischen Felds führt zu einem sich ändernden Magnetfeld. Diese erzeugen gegenseitig elektrische und magnetische Wechselfelder und bilden ein einziges elektromagnetisches Feld.
Eigenschaften elektromagnetischer Wellen
Das wichtigste Ergebnis, das sich aus der von Maxwell formulierten Theorie des elektromagnetischen Feldes ergibt, war die Vorhersage der Möglichkeit der Existenz elektromagnetischer Wellen. Elektromagnetische Welle- Ausbreitung elektromagnetischer Felder in Raum und Zeit.
Elektromagnetische Wellen können sich im Gegensatz zu elastischen (Schall-)Wellen in einem Vakuum oder jeder anderen Substanz ausbreiten.
Elektromagnetische Wellen im Vakuum breiten sich mit einer Geschwindigkeit aus c=299 792 km/s, also mit Lichtgeschwindigkeit.
In Materie ist die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle geringer als im Vakuum. Der für mechanische Wellen erhaltene Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Geschwindigkeit, Periode und Schwingungsfrequenz gilt auch für elektromagnetische Wellen:
Schwankungen des Spannungsvektors E und magnetischer Induktionsvektor B in zueinander senkrechten Ebenen und senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung (Geschwindigkeitsvektor) auftreten.
Eine elektromagnetische Welle transportiert Energie.
Elektromagnetischer Wellenbereich
Um uns herum befindet sich eine komplexe Welt elektromagnetischer Wellen verschiedener Frequenzen: Strahlung von Computermonitoren, Mobiltelefonen, Mikrowellenherden, Fernsehern usw. Derzeit werden alle elektromagnetischen Wellen nach Wellenlänge in sechs Hauptbereiche unterteilt.
Radiowellen- das sind elektromagnetische Wellen (mit einer Wellenlänge von 10.000 m bis 0,005 m), die dazu dienen, Signale (Informationen) drahtlos über eine Distanz zu übertragen. Bei der Funkkommunikation werden Funkwellen durch hochfrequente Ströme erzeugt, die in einer Antenne fließen.
Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,005 m bis 1 Mikrometer, d.h. zwischen Radiowellen und sichtbarem Licht genannt Infrarotstrahlung. Infrarotstrahlung wird von jedem erhitzten Körper emittiert. Die Quelle der Infrarotstrahlung sind Öfen, Batterien, elektrische Glühlampen. Mit Hilfe spezieller Geräte kann Infrarotstrahlung in sichtbares Licht umgewandelt und Bilder von erhitzten Objekten in völliger Dunkelheit aufgenommen werden.
Zu sichtbares Licht umfassen Strahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 770 nm bis 380 nm, von rot bis violett. Die Bedeutung dieses Teils des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung im menschlichen Leben ist extrem hoch, da ein Mensch mit Hilfe des Sehens fast alle Informationen über die Welt um sich herum erhält.
Für das Auge unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge als Violett wird als elektromagnetische Strahlung bezeichnet UV-Strahlung. Es kann krankheitserregende Bakterien abtöten.
Röntgenstrahlung unsichtbar für das Auge. Es durchdringt ohne nennenswerte Absorption erhebliche Schichten einer für sichtbares Licht undurchlässigen Substanz, die zur Diagnose von Erkrankungen innerer Organe verwendet wird.
Gammastrahlung elektromagnetische Strahlung genannt, die von angeregten Kernen emittiert wird und aus der Wechselwirkung von Elementarteilchen entsteht.
Das Prinzip der Funkkommunikation
Der Schwingkreis dient als Quelle elektromagnetischer Wellen. Bei wirksamer Abstrahlung wird der Stromkreis "geöffnet", d.h. Bedingungen schaffen, damit das Feld in den Weltraum "geht". Dieses Gerät wird als offener Schwingkreis bezeichnet - Antenne.
Funkkommunikation bezeichnet die Übertragung von Informationen mittels elektromagnetischer Wellen, deren Frequenzen im Bereich von bis Hz liegen.
Radar (Radar)
Ein Gerät, das Ultrakurzwellen aussendet und sofort empfängt. Die Bestrahlung erfolgt durch kurze Pulse. Impulse werden von Objekten reflektiert, wodurch nach Empfang und Verarbeitung des Signals die Entfernung zum Objekt eingestellt werden kann.
Das Geschwindigkeitsradar funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip. Denken Sie darüber nach, wie Radar die Geschwindigkeit eines fahrenden Autos bestimmt.
