2. Descreva a experiência da Hertz na detecção de ondas eletromagnéticas
No experimento de Hertz, a fonte da perturbação eletromagnética eram as oscilações eletromagnéticas que surgiam em um vibrador (um condutor com um entreferro no meio). Uma alta tensão foi aplicada a essa lacuna, causando uma descarga de faísca. Após um momento, uma descarga de faísca surgiu no ressonador (um vibrador análogo). A faísca mais intensa surgiu no ressonador, que estava localizado paralelamente ao vibrador.3. Explique os resultados do experimento de Hertz usando a teoria de Maxwell. Por que uma onda eletromagnética é transversal?
A corrente através do intervalo de descarga cria indução em torno de si, o fluxo magnético aumenta e ocorre uma corrente de deslocamento indutivo. A tensão no ponto 1 (Fig. 155, b do livro didático) é direcionada no sentido anti-horário no plano do desenho, no ponto 2 a corrente é direcionada para cima e provoca indução no ponto 3, a tensão é direcionada para cima. Se a magnitude da tensão for suficiente para uma ruptura elétrica do ar na abertura, ocorre uma faísca e uma corrente flui no ressonador.Porque as direções dos vetores de indução do campo magnético e a força do campo elétrico são perpendiculares entre si e à direção da onda.
4. Por que a radiação de ondas eletromagnéticas ocorre durante o movimento acelerado de cargas elétricas? Como a intensidade do campo elétrico em uma onda eletromagnética irradiada depende da aceleração da partícula carregada radiante?
A força da corrente é proporcional à velocidade de movimento das partículas carregadas, portanto, uma onda eletromagnética ocorre apenas se a velocidade de movimento dessas partículas depender do tempo. A intensidade da onda eletromagnética emitida é diretamente proporcional à aceleração da partícula carregada emissora.5. Como a densidade de energia de um campo eletromagnético depende da intensidade do campo elétrico?
A densidade de energia de um campo eletromagnético é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade do campo elétrico.Em 1864, James Clerk Maxwell previu a possibilidade da existência de ondas eletromagnéticas no espaço. Ele apresentou esta afirmação com base nas conclusões decorrentes da análise de todos os dados experimentais conhecidos na época sobre eletricidade e magnetismo.
Maxwell unificou matematicamente as leis da eletrodinâmica, ligando fenômenos elétricos e magnéticos, e assim chegou à conclusão de que campos elétricos e magnéticos que mudam ao longo do tempo dão origem um ao outro.
Inicialmente, ele se concentrou no fato de que a relação entre os fenômenos magnéticos e elétricos não é simétrica, e introduziu o termo "campo elétrico de vórtice", oferecendo sua própria e verdadeiramente nova explicação para o fenômeno da indução eletromagnética descoberto por Faraday: "toda mudança na o campo magnético leva ao aparecimento de um espaço circundante de um campo elétrico de vórtice com linhas de força fechadas.
Justo, de acordo com Maxwell, foi a afirmação inversa de que "um campo elétrico variável dá origem a um campo magnético no espaço circundante", mas essa afirmação permaneceu a princípio apenas uma hipótese.
Maxwell escreveu um sistema de equações matemáticas que descrevia consistentemente as leis de transformações mútuas de campos magnéticos e elétricos, essas equações mais tarde se tornaram as equações básicas da eletrodinâmica, e ficaram conhecidas como "equações de Maxwell" em homenagem ao grande cientista que as escreveu. . A hipótese de Maxwell, baseada nas equações escritas, teve várias conclusões extremamente importantes para a ciência e tecnologia, que são apresentadas a seguir.
As ondas eletromagnéticas realmente existem
No espaço, podem existir ondas eletromagnéticas transversais, que se propagam ao longo do tempo. O fato de as ondas serem transversais é indicado pelo fato de que os vetores de indução magnética B e intensidade do campo elétrico E são mutuamente perpendiculares e ambos se encontram em um plano perpendicular à direção de propagação de uma onda eletromagnética.
A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas em uma substância é finita e é determinada pelas propriedades elétricas e magnéticas da substância através da qual a onda se propaga. Neste caso, o comprimento da onda senoidal λ está relacionado com a velocidade υ por uma certa relação exata λ = υ / f, e depende da frequência f das oscilações do campo. A velocidade c de uma onda eletromagnética no vácuo é uma das constantes físicas fundamentais - a velocidade da luz no vácuo.
Como Maxwell declarou a finitude da velocidade de propagação de uma onda eletromagnética, isso criou uma contradição entre sua hipótese e a teoria de longo alcance aceita na época, segundo a qual a velocidade de propagação das ondas deveria ser infinita. A teoria de Maxwell foi, portanto, chamada de teoria da ação de curto alcance.
Em uma onda eletromagnética, a transformação dos campos elétrico e magnético um no outro ocorre simultaneamente, portanto, as densidades volumétricas de energia magnética e energia elétrica são iguais entre si. Portanto, é verdadeira a afirmação de que os módulos da intensidade do campo elétrico e da indução do campo magnético estão interligados em cada ponto do espaço pela seguinte relação:
Uma onda eletromagnética no processo de sua propagação cria um fluxo de energia eletromagnética e, se considerarmos a área em um plano perpendicular à direção de propagação da onda, em pouco tempo uma certa quantidade de energia eletromagnética se moverá através dela. A densidade de fluxo de energia eletromagnética é a quantidade de energia transportada por uma onda eletromagnética através da superfície de uma unidade de área por unidade de tempo. Substituindo os valores de velocidade, bem como energia magnética e elétrica, podemos obter uma expressão para a densidade de fluxo em termos das quantidades E e B.
Como a direção de propagação da energia da onda coincide com a direção da velocidade de propagação da onda, o fluxo de energia que se propaga em uma onda eletromagnética pode ser especificado usando um vetor direcionado da mesma forma que a velocidade de propagação da onda. Esse vetor é chamado de "vetor de Poynting" - em homenagem ao físico britânico Henry Poynting, que desenvolveu em 1884 a teoria da propagação do fluxo de energia do campo eletromagnético. A densidade do fluxo de energia das ondas é medida em W/sq.m.
Quando um campo elétrico atua sobre uma substância, pequenas correntes aparecem nela, que são um movimento ordenado de partículas eletricamente carregadas. Essas correntes no campo magnético de uma onda eletromagnética são submetidas à ação da força Ampère, que é direcionada profundamente na substância. A força de Ampere e gera como resultado pressão.
Esse fenômeno foi mais tarde, em 1900, investigado e confirmado experimentalmente pelo físico russo Pyotr Nikolaevich Lebedev, cujo trabalho experimental foi muito importante para confirmar a teoria do eletromagnetismo de Maxwell e sua aceitação e aprovação no futuro.
O fato de uma onda eletromagnética exercer pressão permite julgar a presença de um impulso mecânico em um campo eletromagnético, que pode ser expresso para uma unidade de volume em termos da densidade volumétrica da energia eletromagnética e da velocidade de propagação da onda no vácuo:
Como o momento está associado ao movimento da massa, é possível introduzir um conceito como massa eletromagnética e, então, para uma unidade de volume, essa razão (de acordo com o SRT) assumirá o caráter de uma lei universal da natureza e será válido para quaisquer corpos materiais, independentemente da forma da matéria. E o campo eletromagnético é então semelhante a um corpo material - tem energia W, massa m, momento p e uma velocidade de propagação finita v. Ou seja, o campo eletromagnético é uma das formas de matéria que realmente existe na natureza.
Pela primeira vez em 1888, Heinrich Hertz confirmou experimentalmente a teoria eletromagnética de Maxwell. Ele provou empiricamente a realidade das ondas eletromagnéticas e estudou suas propriedades como refração e absorção em vários meios, bem como a reflexão de ondas em superfícies metálicas.
Hertz mediu o comprimento de onda e mostrou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética é igual à velocidade da luz. O trabalho experimental de Hertz foi o último passo para o reconhecimento da teoria eletromagnética de Maxwell. Sete anos depois, em 1895, o físico russo Alexander Stepanovich Popov usou ondas eletromagnéticas para criar comunicações sem fio.
Nos circuitos CC, as cargas se movem a uma velocidade constante e as ondas eletromagnéticas, neste caso, não são irradiadas para o espaço. Para que a radiação ocorra, é necessário o uso de uma antena na qual sejam excitadas correntes alternadas, ou seja, correntes que mudam rapidamente de direção.
Em sua forma mais simples, um dipolo elétrico de tamanho pequeno é adequado para a emissão de ondas eletromagnéticas, nas quais o momento dipolar mudaria rapidamente com o tempo. É um tal dipolo que é chamado hoje de "dipolo hertziano", cujo tamanho é várias vezes menor que o comprimento de onda que emite.
Quando emitido por um dipolo hertziano, o fluxo máximo de energia eletromagnética cai em um plano perpendicular ao eixo do dipolo. Nenhuma energia eletromagnética é emitida ao longo do eixo do dipolo. Nos experimentos mais importantes de Hertz, dipolos elementares foram usados tanto para emitir quanto para receber ondas eletromagnéticas, e a existência de ondas eletromagnéticas foi comprovada.
M. Faraday introduziu o conceito de campo:
um campo eletrostático em torno de uma carga em repouso
em torno de cargas em movimento (corrente) existe um campo magnético.
Em 1830, M. Faraday descobriu o fenômeno da indução eletromagnética: quando o campo magnético muda, surge um campo elétrico de vórtice.
Figura 2.7 - Campo elétrico de vórtice
Onde, 
- vetor de intensidade do campo elétrico, 
- vetor de indução magnética.
Um campo magnético alternado cria um campo elétrico de vórtice.
Em 1862 D. K. Maxwell apresentou uma hipótese: quando o campo elétrico muda, surge um campo magnético de vórtice.
Surgiu a ideia de um único campo eletromagnético.
Figura 2.8 - Campo eletromagnético unificado.
O campo elétrico alternado cria um campo magnético de vórtice.
Campo eletromagnetico- esta é uma forma especial de matéria - uma combinação de campos elétricos e magnéticos. Campos elétricos e magnéticos variáveis existem simultaneamente e formam um único campo eletromagnético. É Matéria:
Ele se manifesta em ação em cargas em repouso e em movimento;
Ele se espalha a uma velocidade alta, mas finita;
Ela existe independentemente de nossa vontade e desejos.
A uma taxa de carga de zero, existe apenas um campo elétrico. A uma taxa de carga constante, um campo eletromagnético é gerado.
Com o movimento acelerado da carga, é emitida uma onda eletromagnética, que se propaga no espaço com velocidade finita. .
O desenvolvimento da ideia de ondas eletromagnéticas pertence a Maxwell, mas Faraday já sabia de sua existência, embora tivesse medo de publicar o trabalho (foi lido mais de 100 anos após sua morte).
A principal condição para o surgimento de uma onda eletromagnética é o movimento acelerado de cargas elétricas.
O que é uma onda eletromagnética, é fácil imaginar o seguinte exemplo. Se você jogar uma pedra na superfície da água, ondas divergentes em círculos serão formadas na superfície. Eles se movem da fonte de sua ocorrência (perturbação) com uma certa velocidade de propagação. Para ondas eletromagnéticas, distúrbios são campos elétricos e magnéticos que se movem no espaço. Um campo eletromagnético variável no tempo necessariamente causa um campo magnético alternado e vice-versa. Esses campos estão interligados.
A principal fonte do espectro de ondas eletromagnéticas é a estrela Sol. Parte do espectro de ondas eletromagnéticas vê o olho humano. Este espectro está dentro de 380...780 nm (Fig. 2.1). No espectro visível, o olho percebe a luz de forma diferente. As oscilações eletromagnéticas com diferentes comprimentos de onda causam a sensação de luz com cores diferentes.
Figura 2.9 - Espectro de ondas eletromagnéticas
Parte do espectro de ondas eletromagnéticas é usada para fins de transmissão e comunicação de rádio e televisão. A fonte das ondas eletromagnéticas é um fio (antena) no qual as cargas elétricas flutuam. O processo de formação dos campos, que começou próximo ao fio, gradativamente, ponto a ponto, captura todo o espaço. Quanto maior a frequência da corrente alternada que passa pelo fio e gera um campo elétrico ou magnético, mais intensas são as ondas de rádio de um determinado comprimento criadas pelo fio.
Rádio(lat. rádio - emite, emite raios ← raio - feixe) - um tipo de comunicação sem fio em que as ondas de rádio que se propagam livremente no espaço são usadas como portadora de sinal.
ondas de rádio(de rádio...), ondas eletromagnéticas com comprimento de onda > 500 µm (frequência< 6×10 12 Гц).
As ondas de rádio são campos elétricos e magnéticos que mudam com o tempo. A velocidade de propagação das ondas de rádio no espaço livre é de 300.000 km/s. Com base nisso, você pode determinar o comprimento da onda de rádio (m).
λ=300/f, onde f - frequência (MHz)
As vibrações sonoras do ar criadas durante uma conversa telefônica são convertidas pelo microfone em vibrações elétricas de frequência sonora, que são transmitidas por fios até o equipamento do assinante. Ali, do outro lado da linha, com a ajuda do emissor do telefone, eles são convertidos em vibrações do ar percebidas pelo assinante como sons. Na telefonia, os meios de comunicação são os fios; na radiodifusão, as ondas de rádio.
O "coração" do transmissor de qualquer estação de rádio é um gerador - um dispositivo que gera oscilações de frequência alta, mas estritamente constante para uma determinada estação de rádio. Essas oscilações de radiofrequência, amplificadas para a potência necessária, entram na antena e excitam no espaço circundante oscilações eletromagnéticas exatamente da mesma frequência - ondas de rádio. A velocidade de remoção das ondas de rádio da antena da estação de rádio é igual à velocidade da luz: 300.000 km/s, o que é quase um milhão de vezes mais rápido que a propagação do som no ar. Isso significa que, se um transmissor fosse ligado na Estação de Radiodifusão de Moscou em algum momento, suas ondas de rádio atingiriam Vladivostok em menos de 1/30 s, e o som durante esse tempo teria tempo para se propagar apenas 10-11 m.
As ondas de rádio se propagam não apenas no ar, mas também onde não há, por exemplo, no espaço sideral. Nisto eles diferem das ondas sonoras, para as quais o ar ou algum outro meio denso, como a água, é absolutamente necessário.
onda eletromagnética
é um campo eletromagnético se propagando no espaço (oscilações de vetores 
). Perto da carga, os campos elétrico e magnético mudam com uma mudança de fase p/2.
Figura 2.10 - Campo eletromagnético unificado.
A uma grande distância da carga, os campos elétrico e magnético mudam de fase.
Figura 2.11 - Mudança de fase em campos elétricos e magnéticos.
A onda eletromagnética é transversal.
A direção da velocidade da onda eletromagnética coincide com a direção do movimento do parafuso direito ao girar a alça do verruma do vetor 
para o vetor 
.
Figura 2.12 - Onda eletromagnética.
Além disso, em uma onda eletromagnética, a relação 
, onde c é a velocidade da luz no vácuo.
Maxwell teoricamente calculou a energia e a velocidade das ondas eletromagnéticas.
Nesse caminho, a energia das ondas é diretamente proporcional à quarta potência da frequência. Isso significa que para fixar mais facilmente a onda, é necessário que ela seja de alta frequência.
As ondas eletromagnéticas foram descobertas por G. Hertz (1887).
Um circuito oscilatório fechado não irradia ondas eletromagnéticas: toda a energia do campo elétrico do capacitor é convertida na energia do campo magnético da bobina. A frequência de oscilação é determinada pelos parâmetros do circuito oscilatório: 
.
Figura 2.13 - Circuito oscilatório.
Para aumentar a frequência, é necessário diminuir L e C, ou seja, vire a bobina para um fio reto e, como 
, reduza a área das placas e espalhe-as à distância máxima. Isso mostra que obtemos, em essência, um condutor reto.
Tal dispositivo é chamado de vibrador Hertz. O meio é cortado e conectado a um transformador de alta frequência. Entre as extremidades dos fios, nos quais são fixados pequenos condutores esféricos, salta uma faísca elétrica, que é a fonte da onda eletromagnética. A onda se propaga de tal forma que o vetor de intensidade do campo elétrico oscila no plano em que o condutor está localizado.
Figura 2.14 - Vibrador Hertz.
Se o mesmo condutor (antena) for colocado paralelamente ao emissor, as cargas nele oscilarão e faíscas fracas saltarão entre os condutores.
Hertz descobriu as ondas eletromagnéticas em um experimento e mediu sua velocidade, que coincidiu com a calculada por Maxwell e igual a c=3. 10 8 m/s.
Um campo elétrico alternado gera um campo magnético alternado, que, por sua vez, gera um campo elétrico alternado, ou seja, uma antena que excita um dos campos provoca o aparecimento de um único campo eletromagnético. A propriedade mais importante deste campo é que ele se propaga na forma de ondas eletromagnéticas.
A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas em um meio sem perdas depende da permeabilidade relativamente dielétrica e magnética do meio. Para o ar, a permeabilidade magnética do meio é igual a um, portanto, a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas neste caso é igual à velocidade da luz.
A antena pode ser um fio vertical alimentado por um gerador de alta frequência. O gerador gasta energia para acelerar o movimento dos elétrons livres no condutor, e essa energia é convertida em um campo eletromagnético alternado, ou seja, ondas eletromagnéticas. Quanto maior a frequência da corrente do gerador, mais rápido o campo eletromagnético muda e mais intensa a cura da onda.
Conectados ao fio da antena estão um campo elétrico, cujas linhas de força começam em cargas positivas e terminam em cargas negativas, e um campo magnético, cujas linhas se fecham em torno da corrente do fio. Quanto menor o período de oscilação, menos tempo resta para a energia dos campos ligados retornar ao fio (ou seja, ao gerador) e mais ela passa para os campos livres, que se propagam ainda mais na forma de ondas eletromagnéticas. A radiação efetiva de ondas eletromagnéticas ocorre sob a condição de comensurabilidade do comprimento de onda e do comprimento do fio radiante.
Assim, pode-se determinar que onda de rádio- este é um campo eletromagnético não associado ao emissor e aos dispositivos formadores de canal, propagando-se livremente no espaço na forma de uma onda com uma frequência de oscilação de 10 -3 a 10 12 Hz.
As oscilações de elétrons na antena são criadas por uma fonte de EMF que muda periodicamente com um período T. Se em algum momento o campo na antena tiver um valor máximo, ele terá o mesmo valor depois de um tempo T. Durante esse tempo, o campo eletromagnético que existia no momento inicial na antena se moverá para uma distância
λ = υТ (1)
A distância mínima entre dois pontos no espaço onde o campo tem o mesmo valor é chamada Comprimento de onda. Como segue de (1), o comprimento de onda λ depende da velocidade de sua propagação e do período de oscilação dos elétrons na antena. Porque frequência atual f = 1 / T, então o comprimento de onda λ = υ / f .
O link de rádio inclui as seguintes partes principais:
Transmissor
Receptor
O meio em que as ondas de rádio se propagam.
O transmissor e o receptor são elementos controláveis do link de rádio, pois é possível aumentar a potência do transmissor, conectar uma antena mais eficiente e aumentar a sensibilidade do receptor. O meio é um elemento não controlado do link de rádio.
A diferença entre uma linha de comunicação de rádio e as linhas com fio é que as linhas com fio usam fios ou cabos como elo de conexão, que são elementos controlados (você pode alterar seus parâmetros elétricos).
Muitos padrões de processos de ondas são de natureza universal e são igualmente válidos para ondas de várias naturezas: ondas mecânicas em um meio elástico, ondas na superfície da água, em uma corda esticada, etc. oscilações do campo eletromagnético, não são exceção. Mas, ao contrário de outros tipos de ondas, que se propagam em algum meio material, as ondas eletromagnéticas podem se propagar no vácuo: nenhum meio material é necessário para a propagação de campos elétricos e magnéticos. No entanto, as ondas eletromagnéticas podem existir não apenas no vácuo, mas também na matéria.
Previsão de ondas eletromagnéticas. A existência de ondas eletromagnéticas foi teoricamente prevista por Maxwell como resultado da análise de seu sistema de equações proposto para descrever o campo eletromagnético. Maxwell mostrou que um campo eletromagnético no vácuo pode existir mesmo na ausência de fontes - cargas e correntes. Um campo sem fontes tem a forma de ondas que se propagam a uma velocidade finita cm/s, em que os vetores dos campos elétrico e magnético em cada instante de tempo em cada ponto do espaço são perpendiculares entre si e perpendiculares à direção da onda. propagação.
Experimentalmente, as ondas eletromagnéticas foram descobertas e estudadas por Hertz apenas 10 anos após a morte de Maxwell.
vibrador aberto. Para entender como as ondas eletromagnéticas podem ser obtidas experimentalmente, vamos considerar um circuito oscilatório “aberto”, no qual as placas do capacitor são afastadas (Fig. 176) e, portanto, o campo elétrico ocupa uma grande área do espaço. Com o aumento da distância entre as placas, a capacitância C do capacitor diminui e, de acordo com a fórmula de Thomson, a frequência das oscilações naturais aumenta. Se também substituirmos o indutor por um pedaço de fio, a indutância diminuirá e a frequência natural aumentará ainda mais. Neste caso, não só o campo elétrico, mas também o magnético, que antes ficava dentro da bobina, agora ocupará uma grande região do espaço que cobre este fio.
Um aumento na frequência de oscilações no circuito, bem como um aumento em suas dimensões lineares, leva ao fato de que o período de oscilação natural
oscilações torna-se comparável com o tempo de propagação do campo eletromagnético ao longo de todo o circuito. Isso significa que os processos de oscilações eletromagnéticas naturais em tal circuito aberto não podem mais ser considerados quase estacionários.
Arroz. 176. Transição de um circuito oscilatório para um vibrador aberto
A intensidade da corrente em seus diferentes lugares ao mesmo tempo é diferente: nas extremidades do circuito é sempre zero e no meio (onde a bobina costumava estar) oscila com amplitude máxima.
No caso limite, quando o circuito oscilatório simplesmente se transformou em um segmento de fio reto, a distribuição de corrente ao longo do circuito em algum ponto no tempo é mostrada na Fig. 177a. No momento em que a intensidade da corrente em tal vibrador é máxima, o campo magnético que o cobre também atinge o máximo e não há campo elétrico próximo ao vibrador. Após um quarto do período, a força da corrente desaparece e com ela o campo magnético próximo ao vibrador; as cargas elétricas estão concentradas perto das extremidades do vibrador e sua distribuição tem a forma mostrada na Fig. 1776. O campo elétrico próximo ao vibrador neste momento é máximo.
Arroz. 177. Distribuição ao longo de um vibrador aberto da força de corrente no momento em que é máxima (a), e a distribuição de cargas após um quarto do período (b)
Essas oscilações de carga e corrente, ou seja, oscilações eletromagnéticas em um vibrador aberto, são bastante análogas às oscilações mecânicas que podem ocorrer em uma mola de oscilador se o corpo maciço ligado a ela for removido. Nesse caso, é necessário levar em consideração a massa de partes individuais da mola e considerá-la como um sistema distribuído, no qual cada elemento possui propriedades elásticas e inertes. No caso de um vibrador eletromagnético aberto, cada um de seus elementos também possui simultaneamente indutância e capacitância.
Campos elétricos e magnéticos do vibrador. A natureza não quase estacionária das oscilações em um vibrador aberto leva ao fato de que os campos criados por suas seções individuais a uma certa distância do vibrador não se compensam mais, como é o caso de um circuito oscilatório “fechado” com parâmetros agrupados, onde as oscilações são quase estacionárias, o campo elétrico é totalmente concentrado dentro do capacitor e magnético - dentro da bobina. Devido a essa separação espacial de campos elétricos e magnéticos, eles não estão diretamente relacionados entre si: sua transformação mútua se deve apenas à transferência de corrente - carga ao longo do circuito.
Em um vibrador aberto, onde os campos elétrico e magnético se sobrepõem no espaço, sua influência mútua ocorre: um campo magnético variável gera um campo elétrico de vórtice e um campo elétrico variável gera um campo magnético. Como resultado, é possível a existência de tais campos “autossustentáveis” se propagando no espaço livre a uma grande distância do vibrador. Estas são as ondas eletromagnéticas emitidas pelo vibrador.
Os experimentos de Hertz. O vibrador, com o qual G. Hertz em 1888 foi o primeiro a obter experimentalmente ondas eletromagnéticas, era um condutor reto com um pequeno entreferro no meio (Fig. 178a). Graças a essa lacuna, cargas significativas podem ser transmitidas às duas metades do vibrador. Quando a diferença de potencial atingiu um determinado valor limite, ocorreu uma quebra no entreferro (uma faísca saltou) e cargas elétricas podem fluir através do ar ionizado de uma metade do vibrador para a outra. Em um circuito aberto, surgiram oscilações eletromagnéticas. Para que as correntes alternadas rápidas existissem apenas no vibrador e não se fechassem através da fonte de energia, bobinas foram conectadas entre o vibrador e a fonte (veja a Fig. 178a).
Arroz. 178. Vibrador Hertz
Vibrações de alta frequência no vibrador existem enquanto a faísca fecha a lacuna entre suas metades. O amortecimento de tais oscilações no vibrador ocorre principalmente não devido às perdas Joule na resistência (como em um circuito oscilatório fechado), mas devido à radiação de ondas eletromagnéticas.
Para detectar ondas eletromagnéticas, Hertz usou um segundo vibrador (receptor) (Fig. 1786). Sob a ação de um campo elétrico alternado de uma onda proveniente do emissor, os elétrons no vibrador receptor realizam oscilações forçadas, ou seja, uma corrente alternada rápida é excitada no vibrador. Se as dimensões do vibrador receptor são as mesmas do emissor, então as frequências das oscilações eletromagnéticas naturais neles coincidem e as oscilações forçadas no vibrador receptor atingem um valor perceptível devido à ressonância. Essas oscilações foram detectadas por Hertz pela passagem de uma faísca em uma fenda microscópica no meio do vibrador receptor ou pelo brilho de um tubo G de descarga de gás em miniatura, conectado entre as metades do vibrador.
Hertz não só provou experimentalmente a existência de ondas eletromagnéticas, mas pela primeira vez começou a estudar suas propriedades - absorção e refração em diferentes meios, reflexão de superfícies metálicas, etc. Experimentalmente, também foi possível medir a velocidade das ondas eletromagnéticas, que acabou por ser igual à velocidade da luz.
A coincidência da velocidade das ondas eletromagnéticas com a velocidade da luz medida muito antes de sua descoberta serviu como ponto de partida para identificar a luz com as ondas eletromagnéticas e criar uma teoria eletromagnética da luz.
Uma onda eletromagnética existe sem fontes de campos no sentido de que após sua emissão, o campo eletromagnético da onda não está associado à fonte. Desta forma, uma onda eletromagnética difere dos campos elétricos e magnéticos estáticos, que não existem isoladamente da fonte.
Mecanismo de radiação de ondas eletromagnéticas. A radiação de ondas eletromagnéticas ocorre com o movimento acelerado de cargas elétricas. É possível entender como o campo elétrico transversal de uma onda surge do campo coulombiano radial de uma carga pontual usando o seguinte raciocínio simples proposto por J. Thomson.
Arroz. 179. Campo de uma carga pontual imóvel
Considere o campo elétrico criado por uma carga pontual.Se a carga está em repouso, seu campo eletrostático é representado por linhas radiais de força que emergem da carga (Fig. 179). Suponhamos que no momento em que a carga sob a ação de alguma força externa comece a se mover com uma aceleração a, e depois de algum tempo a ação dessa força cessa, de modo que a carga se move ainda mais uniformemente com uma velocidade. O gráfico da velocidade da carga é mostrado na Fig. 180.
Imagine uma imagem das linhas do campo elétrico criado por esta carga, após um longo período de tempo. Como o campo elétrico se propaga na velocidade da luz c,
então a mudança no campo elétrico causada pelo movimento da carga não poderia atingir os pontos situados fora da esfera de raio: fora desta esfera, o campo é o mesmo que era com uma carga estacionária (Fig. 181). A força deste campo (no sistema gaussiano de unidades) é igual a
Toda a mudança no campo elétrico causada pelo movimento acelerado da carga ao longo do tempo no momento está dentro de uma fina camada esférica de espessura, cujo raio externo é igual e o interno - Isso é mostrado na Fig. 181. Dentro da esfera de raio, o campo elétrico é o campo de uma carga em movimento uniforme.
Arroz. 180. Gráfico de taxa de cobrança
Arroz. 181. Linhas da intensidade do campo elétrico de uma carga se movendo de acordo com o gráfico da fig. 180
Arroz. 182. Para a derivação da fórmula para a intensidade do campo de radiação de uma carga em movimento acelerado
Se a velocidade da carga for muito menor que a velocidade da luz c, então este campo no momento coincide com o campo de uma carga puntiforme estacionária localizada a uma distância desde o início (Fig. 181): o campo de um A carga movendo-se lentamente a uma velocidade constante se move com ela, e a distância percorrida pela carga ao longo do tempo, como pode ser visto na Fig. 180, pode ser considerado igual se r»t.
A imagem do campo elétrico dentro da camada esférica é fácil de encontrar, dada a continuidade das linhas de força. Para fazer isso, você precisa conectar as linhas de força radiais correspondentes (Fig. 181). A torção nas linhas de força causada pelo movimento acelerado da carga "foge" da carga a uma velocidade c. Uma torção nas linhas de força entre
esferas, este é o campo de radiação de nosso interesse, propagando-se a uma velocidade c.
Para encontrar o campo de radiação, considere uma das linhas de intensidade, que forma um certo ângulo com a direção do movimento da carga (Fig. 182). Decompomos o vetor da intensidade do campo elétrico na quebra E em duas componentes: radial e transversal. A componente radial é a intensidade do campo eletrostático criado pela carga a uma distância dela:
A componente transversal é a força do campo elétrico na onda emitida pela carga durante o movimento acelerado. Como essa onda corre ao longo do raio, o vetor é perpendicular à direção de propagação da onda. Da fig. 182 mostra que
Substituindo aqui de (2), encontramos
Considerando que uma razão é a aceleração a, com a qual a carga se moveu durante o intervalo de tempo de 0 a, reescrevemos esta expressão na forma
Em primeiro lugar, prestamos atenção ao fato de que a força do campo elétrico da onda diminui inversamente com a distância do centro, em contraste com a força do campo eletrostático, que é proporcional a tal dependência da distância, e deve ser esperado se levarmos em conta a lei da conservação da energia. Como não há absorção de energia quando uma onda se propaga no vazio, a quantidade de energia que passou por uma esfera de qualquer raio é a mesma. Como a área da superfície de uma esfera é proporcional ao quadrado de seu raio, o fluxo de energia através de uma unidade de sua superfície deve ser inversamente proporcional ao quadrado do raio. Considerando que a densidade de energia do campo elétrico da onda é igual, concluímos que
Além disso, notamos que a intensidade do campo da onda na fórmula (4) no momento depende da aceleração da carga e no momento a onda irradiada no momento atinge um ponto localizado a uma distância após um tempo igual a
Radiação de uma carga oscilante. Suponhamos agora que a carga se mova o tempo todo ao longo de uma linha reta com alguma aceleração variável perto da origem, por exemplo, ela realiza oscilações harmônicas. Enquanto estiver, ele emitirá ondas eletromagnéticas continuamente. A intensidade do campo elétrico da onda em um ponto localizado a uma distância da origem das coordenadas ainda é determinada pela fórmula (4), e o campo no momento depende da aceleração da carga a em um momento anterior
Seja o movimento da carga uma oscilação harmônica próxima à origem com certa amplitude A e frequência w:
A aceleração da carga durante tal movimento é dada pela expressão
Substituindo a aceleração da carga na fórmula (5), obtemos
Uma mudança no campo elétrico em qualquer ponto durante a passagem de tal onda é uma oscilação harmônica com uma frequência , ou seja, uma carga oscilante irradia uma onda monocromática. É claro que a fórmula (8) é válida para distâncias maiores que a amplitude das oscilações de carga A.
A energia de uma onda eletromagnética. A densidade de energia do campo elétrico de uma onda monocromática emitida por uma carga pode ser encontrada usando a fórmula (8):
A densidade de energia é proporcional ao quadrado da amplitude de oscilação de carga e a quarta potência da frequência.
Qualquer flutuação está associada a transições periódicas de energia de uma forma para outra e vice-versa. Por exemplo, as oscilações de um oscilador mecânico são acompanhadas por transformações mútuas de energia cinética e energia potencial de deformação elástica. Ao estudar as oscilações eletromagnéticas em um circuito, vimos que o análogo da energia potencial de um oscilador mecânico é a energia do campo elétrico no capacitor, e o análogo da energia cinética é a energia do campo magnético da bobina. Essa analogia é válida não apenas para oscilações localizadas, mas também para processos ondulatórios.
Em uma onda monocromática viajando em um meio elástico, as densidades de energia cinética e potencial em cada ponto realizam oscilações harmônicas com frequência dobrada, e de tal forma que seus valores coincidem a qualquer momento. É o mesmo em uma onda eletromagnética monocromática viajante: as densidades de energia dos campos elétrico e magnético, fazendo uma oscilação harmônica com uma frequência, são iguais entre si em todos os pontos a qualquer momento.
A densidade de energia do campo magnético é expressa em termos de indução B como segue:
Igualando as densidades de energia dos campos elétrico e magnético em uma onda eletromagnética viajante, estamos convencidos de que a indução do campo magnético em tal onda depende das coordenadas e do tempo da mesma forma que a intensidade do campo elétrico. Em outras palavras, em uma onda viajante, a indução do campo magnético e a intensidade do campo elétrico são iguais entre si em qualquer ponto a qualquer momento (no sistema de unidades gaussiano):
Fluxo de energia de uma onda eletromagnética. A densidade de energia total do campo eletromagnético na onda viajante é duas vezes a densidade de energia do campo elétrico (9). A densidade de fluxo de energia y transportada pela onda é igual ao produto da densidade de energia pela velocidade de propagação da onda. Usando a fórmula (9), pode-se ver que o fluxo de energia através de qualquer superfície oscila com frequência.Para encontrar o valor médio da densidade do fluxo de energia, é necessário calcular a expressão média (9) ao longo do tempo. Como o valor médio é 1/2, obtemos
Arroz. 183. Distribuição angular de energia" emitida por uma carga oscilante
A densidade do fluxo de energia em uma onda depende da direção: nenhuma energia é emitida na direção em que ocorrem as oscilações de carga. A maior quantidade de energia é emitida em um plano perpendicular a essa direção. A distribuição angular da energia emitida por uma oscilação carga é mostrada na Fig. 183. Uma carga oscila ao longo de um eixo
direção da energia, ou seja, o diagrama mostra uma linha conectando as extremidades desses segmentos.
A distribuição de energia em direções no espaço é caracterizada por uma superfície, que é obtida pela rotação do diagrama em torno do eixo
Polarização de ondas eletromagnéticas. A onda gerada pelo vibrador durante as oscilações harmônicas é chamada de monocromática. Uma onda monocromática é caracterizada por uma certa frequência co e comprimento de onda X. O comprimento de onda e a frequência estão relacionados através da velocidade de propagação da onda c:
Uma onda eletromagnética no vácuo é transversal: o vetor da força do campo eletromagnético da onda, como pode ser visto pelo raciocínio acima, é perpendicular à direção de propagação da onda. Vamos desenhar através do ponto de observação Р na fig. 184 esfera centrada na origem, em torno da qual a carga radiante oscila ao longo do eixo. Desenhe paralelos e meridianos nele. Então o vetor E do campo de onda será direcionado tangencialmente ao meridiano, e o vetor B é perpendicular ao vetor E e direcionado tangencialmente ao paralelo.
Para verificar isso, vamos considerar com mais detalhes a relação entre os campos elétrico e magnético em uma onda viajante. Esses campos após a emissão da onda não estão mais associados à fonte. Quando o campo elétrico da onda muda, surge um campo magnético, cujas linhas de força, como vimos no estudo da corrente de deslocamento, são perpendiculares às linhas de força do campo elétrico. Este campo magnético alternado, mudando, por sua vez, leva ao aparecimento de um campo elétrico de vórtice, que é perpendicular ao campo magnético que o gerou. Assim, durante a propagação de uma onda, os campos elétrico e magnético se sustentam, permanecendo mutuamente perpendiculares o tempo todo. Como em uma onda progressiva os campos elétrico e magnético mudam de fase entre si, o “retrato” instantâneo da onda (vetores E e B em diferentes pontos da linha ao longo da direção de propagação) tem a forma mostrada na Fig. 185. Tal onda é chamada de polarizada linearmente. Uma carga oscilante harmônica irradia ondas linearmente polarizadas em todas as direções. Em uma onda linearmente polarizada viajando em qualquer direção, o vetor E está sempre no mesmo plano.
Como as cargas em um vibrador eletromagnético linear executam exatamente esse movimento oscilante, a onda eletromagnética emitida pelo vibrador é polarizada linearmente. É fácil verificar isso experimentalmente alterando a orientação do vibrador receptor em relação ao vibrador emissor.
Arroz. 185. Campos elétricos e magnéticos em uma onda linearmente polarizada viajando
O sinal é maior quando o vibrador receptor está paralelo ao vibrador emissor (ver Fig. 178). Se o vibrador receptor for virado perpendicularmente ao vibrador emissor, o sinal desaparece. As oscilações elétricas no vibrador receptor podem aparecer apenas devido à componente do campo elétrico da onda direcionada ao longo do vibrador. Portanto, tal experimento indica que o campo elétrico na onda é paralelo ao vibrador radiante.
Outros tipos de polarização de ondas eletromagnéticas transversais também são possíveis. Se, por exemplo, o vetor E em algum ponto durante a passagem da onda gira uniformemente em torno da direção de propagação, permanecendo inalterado em valor absoluto, então a onda é chamada circularmente polarizada ou circularmente polarizada. Um "retrato" instantâneo do campo elétrico de tal onda eletromagnética é mostrado na Fig. 186.
Arroz. 186. Campo elétrico em uma onda circular circularmente polarizada
Uma onda polarizada circularmente pode ser obtida pela adição de duas ondas polarizadas linearmente de mesma frequência e amplitude que se propagam na mesma direção, cujos vetores de campo elétrico são mutuamente perpendiculares. Em cada uma das ondas, o vetor campo elétrico em cada ponto realiza uma oscilação harmônica. Para que a soma dessas oscilações mutuamente perpendiculares resulte em uma rotação do vetor resultante, é necessário um deslocamento de fase, ou seja, as ondas linearmente polarizadas que estão sendo adicionadas devem ser deslocadas em um quarto do comprimento de onda em relação uma à outra.
Momento da onda e pressão leve. Junto com a energia, uma onda eletromagnética também tem momento. Se uma onda é absorvida, seu momento é transferido para o objeto que a absorve. Daí resulta que durante a absorção, a onda eletromagnética exerce pressão sobre a barreira. A origem da pressão da onda e o valor desta pressão podem ser explicados como segue.
Dirigido em linha reta. Então a potência absorvida pela carga P é igual a
Assumimos que toda a energia da onda incidente é absorvida pela barreira. Como a onda traz energia por unidade de área da superfície da barreira por unidade de tempo, a pressão exercida pela onda na incidência normal é igual à densidade de energia da onda A força de pressão da onda eletromagnética absorvida transmite à barreira por unidade de tempo um impulso igual, de acordo com a fórmula (15), à energia absorvida dividida pela velocidade da luz c . E isso significa que a onda eletromagnética absorvida teve um momento, que é igual à energia dividida pela velocidade da luz.
Pela primeira vez, a pressão das ondas eletromagnéticas foi descoberta experimentalmente por P. N. Lebedev em 1900 em experimentos extremamente sutis.
Como as oscilações eletromagnéticas quase estacionárias em um circuito oscilatório fechado diferem das oscilações de alta frequência em um vibrador aberto? Dê-me uma analogia mecânica.
Explique por que as ondas eletromagnéticas não irradiam em um circuito fechado durante as oscilações eletromagnéticas quase estacionárias. Por que a radiação ocorre durante as oscilações eletromagnéticas em um vibrador aberto?
Descreva e explique as experiências de Hertz sobre a excitação e detecção de ondas eletromagnéticas. Qual o papel do centelhador nos vibradores de transmissão e recepção?
Explique como, com o movimento acelerado de uma carga elétrica, um campo eletrostático longitudinal se transforma em um campo elétrico transversal de uma onda eletromagnética emitida por ela.
Com base em considerações de energia, mostre que a intensidade do campo elétrico da onda esférica emitida pelo vibrador diminui à medida que 1 1r (em contraste com o campo eletrostático).
O que é uma onda eletromagnética monocromática? O que é um comprimento de onda? Como isso está relacionado à frequência? Qual é a propriedade transversal das ondas eletromagnéticas?
O que é a polarização de uma onda eletromagnética? Que tipos de polarização você conhece?
Que argumentos você pode dar para justificar o fato de uma onda eletromagnética ter momento?
Explique o papel da força de Lorentz na ocorrência da força de pressão da onda eletromagnética na barreira.
Em 1860-1865. um dos maiores físicos do século XIX James Clerk Maxwell criou uma teoria campo eletromagnetico. De acordo com Maxwell, o fenômeno da indução eletromagnética é explicado da seguinte forma. Se em algum ponto do espaço o campo magnético muda com o tempo, então um campo elétrico também é formado lá. Se houver um condutor fechado no campo, então o campo elétrico causa uma corrente de indução nele. Segue-se da teoria de Maxwell que o processo inverso também é possível. Se em alguma região do espaço o campo elétrico muda com o tempo, então um campo magnético também é formado aqui.
Assim, qualquer mudança ao longo do tempo no campo magnético resulta em um campo elétrico variável, e qualquer mudança ao longo do tempo no campo elétrico dá origem a um campo magnético variável. Estes gerando campos elétricos e magnéticos alternados formam um único campo eletromagnético.
Propriedades das ondas eletromagnéticas
O resultado mais importante que decorre da teoria do campo eletromagnético formulada por Maxwell foi a previsão da possibilidade da existência de ondas eletromagnéticas. onda eletromagnética- propagação de campos eletromagnéticos no espaço e no tempo.
As ondas eletromagnéticas, ao contrário das ondas elásticas (sonoras), podem se propagar no vácuo ou em qualquer outra substância.
Ondas eletromagnéticas no vácuo se propagam a uma velocidade c=299 792 km/s, ou seja, na velocidade da luz.
Na matéria, a velocidade de uma onda eletromagnética é menor do que no vácuo. A relação entre o comprimento de onda , sua velocidade, período e frequência de oscilações obtidas para ondas mecânicas também é válida para ondas eletromagnéticas:
Flutuações do vetor de tensão E e vetor de indução magnética B ocorrem em planos mutuamente perpendiculares e perpendiculares à direção de propagação da onda (vetor de velocidade).
Uma onda eletromagnética transporta energia.
Faixa de Ondas Eletromagnéticas
Ao nosso redor existe um mundo complexo de ondas eletromagnéticas de várias frequências: radiação de monitores de computador, telefones celulares, fornos de microondas, televisores, etc. Atualmente, todas as ondas eletromagnéticas são divididas por comprimento de onda em seis faixas principais.
ondas de rádio- são ondas eletromagnéticas (com comprimento de onda de 10.000 m a 0,005 m), que servem para transmitir sinais (informações) à distância sem fios. Nas comunicações de rádio, as ondas de rádio são criadas por correntes de alta frequência que fluem em uma antena.
Radiação eletromagnética com comprimento de onda de 0,005 m a 1 mícron, ou seja, entre as ondas de rádio e a luz visível são chamados radiação infra-vermelha. A radiação infravermelha é emitida por qualquer corpo aquecido. A fonte de radiação infravermelha são fornos, baterias, lâmpadas incandescentes elétricas. Com a ajuda de dispositivos especiais, a radiação infravermelha pode ser convertida em luz visível e imagens de objetos aquecidos podem ser obtidas na escuridão completa.
Para luz visível incluem radiação com comprimento de onda de aproximadamente 770 nm a 380 nm, do vermelho ao violeta. O significado dessa parte do espectro de radiação eletromagnética na vida humana é excepcionalmente grande, pois uma pessoa recebe quase todas as informações sobre o mundo ao seu redor com a ajuda da visão.
A radiação eletromagnética invisível ao olho com um comprimento de onda menor que o violeta é chamada radiação ultravioleta. Pode matar bactérias patogênicas.
radiação de raios-x invisível aos olhos. Ele passa sem absorção significativa por camadas significativas de uma substância opaca à luz visível, que é usada para diagnosticar doenças de órgãos internos.
Radiação gama chamada radiação eletromagnética emitida por núcleos excitados e decorrente da interação de partículas elementares.
O princípio da radiocomunicação
O circuito oscilatório é usado como fonte de ondas eletromagnéticas. Para radiação eficaz, o circuito é "aberto", ou seja, criar condições para o campo "ir" para o espaço. Este dispositivo é chamado de circuito oscilatório aberto - antena.
Comunicação via rádio chamada de transmissão de informações usando ondas eletromagnéticas, cujas frequências estão na faixa de Hz.
Radar (radar)
Um dispositivo que transmite ondas ultracurtas e as recebe imediatamente. A radiação é realizada por pulsos curtos. Os pulsos são refletidos dos objetos, permitindo, após receber e processar o sinal, definir a distância até o objeto.
O radar de velocidade funciona com um princípio semelhante. Pense em como o radar determina a velocidade de um carro em movimento.
