Elektromagnetická vlna je proces postupných, vzájomne súvisiacich zmien vektorov intenzity elektrického a magnetického poľa smerujúcich kolmo na lúč šírenia vĺn, pri ktorom zmena elektrického poľa spôsobuje zmeny v magnetickom poli, ktoré následne spôsobujú zmeny v elektrické pole.

Vlna (vlnový proces) – proces šírenia kmitov v kontinuum. Keď sa vlna šíri, častice média sa nepohybujú spolu s vlnou, ale oscilujú okolo svojich rovnovážnych polôh. Spolu s vlnou sa z častice na časticu média prenášajú len stavy kmitavého pohybu a jeho energie. Preto hlavnou vlastnosťou všetkých vĺn, bez ohľadu na ich povahu, je prenos energie bez prenosu hmoty

Elektromagnetické vlny vznikajú vždy, keď sa v priestore mení elektrické pole. Takéto meniace sa elektrické pole je spôsobené najčastejšie pohybom nabitých častíc a ako zvláštny prípad takéhoto pohybu striedavým elektrickým prúdom.

Elektromagnetické pole je vzájomne prepojená oscilácia elektrického (E) a magnetického (B) poľa. Distribúcia jediného elektromagnetického poľa v priestore sa uskutočňuje pomocou elektromagnetických vĺn.

Elektromagnetická vlna – elektromagnetické kmitanie, ktoré sa šíri v priestore a prenáša energiu

Vlastnosti elektromagnetických vĺn, zákony ich budenia a šírenia sú opísané Maxwellovými rovnicami (ktoré nie sú v tomto kurze uvažované). Ak v niektorej oblasti priestoru existujú elektrické náboje a prúdy, potom ich zmena v priebehu času vedie k emisii elektromagnetických vĺn. Opis ich šírenia je podobný ako pri opise mechanických vĺn.

Ak je médium homogénne a vlna sa šíri pozdĺž osi X rýchlosťou v, potom elektrické (E) a magnetické (B) zložky poľa v každom bode média sa menia podľa harmonického zákona s rovnakou kruhovou frekvenciou (ω) a v rovnakej fáze (rovnica rovinnej vlny):

kde x je súradnica bodu a t je čas.

Vektory B a E sú navzájom kolmé a každý z nich je kolmý na smer šírenia vlny (os X). Preto sú elektromagnetické vlny priečne

Sínusová (harmonická) elektromagnetická vlna. Vektory , a sú navzájom kolmé

1) Elektromagnetické vlny sa šíria v hmote s konečná rýchlosť

Rýchlosť cŠírenie elektromagnetických vĺn vo vákuu je jednou zo základných fyzikálnych konštánt.

Maxwellov záver o konečnej rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn bol v rozpore s vtedy akceptovanými teória dlhého dosahu , v ktorom sa predpokladalo, že rýchlosť šírenia elektrického a magnetického poľa je nekonečne veľká. Preto sa Maxwellova teória nazýva teória krátky dosah.

Vzájomné premeny elektrických a magnetických polí sa vyskytujú v elektromagnetickej vlne. Tieto procesy prebiehajú súčasne a elektrické a magnetické polia pôsobia ako rovnocenní „partneri“. Preto sú objemové hustoty elektrickej a magnetickej energie navzájom rovnaké: w e = w m.

4. Elektromagnetické vlny prenášajú energiu. Pri šírení vĺn vzniká tok elektromagnetickej energie. Ak vyberiete lokalitu S(obr. 2.6.3), orientovaný kolmo na smer šírenia vlny, potom v krátkom čase Δ t energia Δ bude prúdiť cez platformu W uh, rovné

Nahradením výrazov za w uh, w m a υ, môžete získať:

kde E 0 je amplitúda oscilácií intenzity elektrického poľa.

Hustota toku energie v SI sa meria v wattov na meter štvorcový(W/m2).

5. Z Maxwellovej teórie vyplýva, že elektromagnetické vlny musia vyvíjať tlak na absorbujúce alebo odrážajúce teleso. Tlak elektromagnetického žiarenia sa vysvetľuje skutočnosťou, že pod vplyvom elektrického poľa vlny vznikajú v látke slabé prúdy, to znamená usporiadaný pohyb nabitých častíc. Tieto prúdy sú ovplyvnené ampérovou silou zo strany magnetického poľa vlny, smerujúcej do hrúbky látky. Táto sila vytvára výsledný tlak. Zvyčajne je tlak elektromagnetického žiarenia zanedbateľný. Takže napríklad tlak slnečného žiarenia prichádzajúceho na Zem na absolútne absorbujúcom povrchu je približne 5 μPa. Prvé pokusy na určenie tlaku žiarenia na odrážajúce a absorbujúce telesá, ktoré potvrdili záver Maxwellovej teórie, uskutočnil P. N. Lebedev v roku 1900. Lebedevove pokusy mali veľký význam pre schválenie Maxwellovej elektromagnetickej teórie.

Existencia tlaku elektromagnetických vĺn nám umožňuje dospieť k záveru, že elektromagnetické pole je vlastné mechanický impulz. Hybnosť elektromagnetického poľa v jednotkovom objeme vyjadruje vzťah

To znamená:

Tento vzťah medzi hmotnosťou a energiou elektromagnetického poľa v jednotkovom objeme je univerzálnym prírodným zákonom. Podľa špeciálnej teórie relativity to platí pre akékoľvek telesá, bez ohľadu na ich povahu a vnútornú štruktúru.

Elektromagnetické pole má teda všetky znaky hmotných telies – energiu, konečnú rýchlosť šírenia, hybnosť, hmotnosť. To naznačuje, že elektromagnetické pole je jednou z foriem existencie hmoty.

6. Prvé experimentálne potvrdenie Maxwellovej elektromagnetickej teórie bolo dané približne 15 rokov po vytvorení teórie v experimentoch G. Hertza (1888). Hertz nielenže experimentálne dokázal existenciu elektromagnetických vĺn, ale prvýkrát začal študovať ich vlastnosti – absorpciu a lom v rôznych prostrediach, odraz od kovových povrchov a pod.. Podarilo sa mu zmerať vlnovú dĺžku a rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn, ktoré Ukázalo sa, že sa rovná rýchlosti svetla.

Hertzove experimenty zohrali rozhodujúcu úlohu pri dôkaze a uznaní Maxwellovej elektromagnetickej teórie. Sedem rokov po týchto experimentoch našli elektromagnetické vlny uplatnenie v bezdrôtovej komunikácii (A. S. Popov, 1895).

7. Elektromagnetické vlny môžu byť iba excitované rýchlo sa pohybujúce náboje. Jednosmerné obvody, v ktorých sa nosiče náboja pohybujú konštantnou rýchlosťou, nie sú zdrojom elektromagnetických vĺn. V modernom rádiovom inžinierstve sa žiarenie elektromagnetických vĺn vyrába pomocou antén rôznych konštrukcií, v ktorých sú vybudené rýchle striedavé prúdy.

Najjednoduchším systémom, ktorý vysiela elektromagnetické vlny, je malý elektrický dipól, dipólový moment p (t), ktorý sa časom rýchlo mení.

Takýto elementárny dipól je tzv Hertzov dipól . V rádiotechnike je Hertzov dipól ekvivalentný malej anténe, ktorej veľkosť je oveľa menšia ako vlnová dĺžka λ (obr. 2.6.4).

Ryža. 2.6.5 poskytuje predstavu o štruktúre elektromagnetickej vlny vyžarovanej takýmto dipólom.

Je potrebné poznamenať, že maximálny tok elektromagnetickej energie je vyžarovaný v rovine kolmej na os dipólu. Dipól nevyžaruje energiu pozdĺž svojej osi. Hertz použil elementárny dipól ako vysielaciu a prijímaciu anténu pri experimentálnom dôkaze existencie elektromagnetických vĺn.

M. Faraday predstavil pojem poľa:

elektrostatické pole okolo pokojového náboja

okolo pohybujúcich sa nábojov (prúdu) je magnetické pole.

V roku 1830 objavil M. Faraday fenomén elektromagnetickej indukcie: pri zmene magnetického poľa vzniká vírivé elektrické pole.

Obrázok 2.7 - Vírivé elektrické pole

kde,
- vektor intenzity elektrického poľa,
- vektor magnetickej indukcie.

Striedavé magnetické pole vytvára vírivé elektrické pole.

V roku 1862 D.K. Maxwell predložil hypotézu: keď sa elektrické pole zmení, vznikne vírivé magnetické pole.

Vznikla myšlienka jediného elektromagnetického poľa.

Obrázok 2.8 - Jednotné elektromagnetické pole.

Striedavé elektrické pole vytvára vírivé magnetické pole.

Elektromagnetické pole- ide o špeciálnu formu hmoty - kombináciu elektrického a magnetického poľa. Premenlivé elektrické a magnetické polia existujú súčasne a tvoria jediné elektromagnetické pole. Ide o materiál:

Prejavuje sa pôsobením na pokojové aj pohyblivé náboje;

Šíri sa vysokou, ale konečnou rýchlosťou;

Existuje nezávisle od našej vôle a túžob.

Pri nulovej rýchlosti nabíjania existuje iba elektrické pole. Pri konštantnej rýchlosti nabíjania sa vytvára elektromagnetické pole.

Pri zrýchlenom pohybe náboja sa vyžaruje elektromagnetická vlna, ktorá sa šíri v priestore konečnou rýchlosťou .

Vývoj myšlienky elektromagnetických vĺn patrí Maxwellovi, ale Faraday už o ich existencii vedel, aj keď sa bál dielo zverejniť (čítalo sa viac ako 100 rokov po jeho smrti).

Hlavnou podmienkou pre vznik elektromagnetickej vlny je zrýchlený pohyb elektrických nábojov.

Čo je to elektromagnetická vlna, je ľahké si predstaviť nasledujúci príklad. Ak hodíte kamienok na hladinu vody, potom sa na hladine vytvoria vlny rozchádzajúce sa v kruhoch. Pohybujú sa od zdroja svojho výskytu (poruchy) s určitou rýchlosťou šírenia. Pre elektromagnetické vlny sú poruchy elektrické a magnetické polia pohybujúce sa v priestore. Časovo premenné elektromagnetické pole nevyhnutne spôsobuje striedavé magnetické pole a naopak. Tieto polia sú vzájomne prepojené.

Hlavným zdrojom spektra elektromagnetických vĺn je hviezda Slnka. Časť spektra elektromagnetických vĺn vidí ľudské oko. Toto spektrum leží v rozmedzí 380...780 nm (obr. 2.1). Vo viditeľnom spektre oko vníma svetlo inak. Elektromagnetické oscilácie s rôznymi vlnovými dĺžkami spôsobujú vnem svetla s rôznymi farbami.

Obrázok 2.9 - Spektrum elektromagnetických vĺn

Časť spektra elektromagnetických vĺn sa využíva na účely rozhlasového a televízneho vysielania a spojov. Zdrojom elektromagnetických vĺn je drôt (anténa), v ktorom kolíšu elektrické náboje. Proces vzniku polí, ktorý sa začal pri drôte, postupne, bod po bode, zachytáva celý priestor. Čím vyššia je frekvencia striedavého prúdu prechádzajúceho drôtom a vytvárajúceho elektrické alebo magnetické pole, tým intenzívnejšie sú rádiové vlny danej dĺžky vytvorené drôtom.

Rádio(lat. rádio - vyžarovať, vyžarovať lúče ← polomer - lúč) - druh bezdrôtovej komunikácie, pri ktorej sa ako nosič signálu využívajú rádiové vlny voľne sa šíriace priestorom.

rádiové vlny(z rádia...), elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou > 500 µm (fr< 6×10 12 Гц).

Rádiové vlny sú elektrické a magnetické polia, ktoré sa časom menia. Rýchlosť šírenia rádiových vĺn vo voľnom priestore je 300 000 km/s. Na základe toho môžete určiť dĺžku rádiovej vlny (m).

λ=300/f, kde f - frekvencia (MHz)

Zvukové vibrácie vzduchu vznikajúce pri telefonickom rozhovore sú premieňané mikrofónom na elektrické vibrácie zvukovej frekvencie, ktoré sú prenášané vodičmi do zariadenia účastníka. Tam sa na druhom konci linky pomocou vysielača telefónu premieňajú na vzduchové vibrácie vnímané účastníkom ako zvuky. V telefóne sú prostriedkom komunikácie drôty, v rozhlasovom vysielaní rádiové vlny.

„Srdcom“ vysielača akejkoľvek rádiostanice je generátor – zariadenie, ktoré pre danú rádiostanicu generuje kmity vysokej, no prísne konštantnej frekvencie. Tieto rádiofrekvenčné kmity, zosilnené na požadovaný výkon, vstupujú do antény a vybudia v okolitom priestore elektromagnetické kmity presne rovnakej frekvencie – rádiové vlny. Rýchlosť odstraňovania rádiových vĺn z antény rádiovej stanice sa rovná rýchlosti svetla: 300 000 km/s, čo je takmer miliónkrát rýchlejšie ako šírenie zvuku vzduchom. To znamená, že ak by sa na Moskovskej vysielacej stanici v určitom čase zapol vysielač, jeho rádiové vlny by dosiahli Vladivostok za menej ako 1/30 s a zvuk by sa počas tejto doby stihol šíriť iba 10-11 m.

Rádiové vlny sa šíria nielen vo vzduchu, ale aj tam, kde žiadne nie sú, napríklad vo vesmíre. V tom sa líšia od zvukových vĺn, pre ktoré je absolútne nevyhnutný vzduch alebo iné husté médium, ako je voda.

elektromagnetická vlna je elektromagnetické pole šíriace sa v priestore (oscilácie vektorov
). V blízkosti náboja sa elektrické a magnetické polia menia s fázovým posunom p/2.

Obrázok 2.10 - Jednotné elektromagnetické pole.

Vo veľkej vzdialenosti od náboja sa elektrické a magnetické polia menia vo fáze.

Obrázok 2.11 - Fázová zmena elektrických a magnetických polí.

Elektromagnetická vlna je priečna. Smer rýchlosti elektromagnetickej vlny sa zhoduje so smerom pohybu pravej skrutky pri otáčaní rukoväte vektorového gimletu do vektora .

Obrázok 2.12 - Elektromagnetická vlna.

Navyše v elektromagnetickej vlne je vzťah
, kde c je rýchlosť svetla vo vákuu.

Maxwell teoreticky vypočítal energiu a rýchlosť elektromagnetických vĺn.

teda energia vĺn je priamo úmerná štvrtej mocnine frekvencie. To znamená, že pre ľahšie fixovanie vlny je potrebné, aby bola vysokofrekvenčná.

Elektromagnetické vlny objavil G. Hertz (1887).

Uzavretý oscilačný obvod nevyžaruje elektromagnetické vlny: všetka energia elektrického poľa kondenzátora sa premení na energiu magnetického poľa cievky. Frekvencia kmitov je určená parametrami oscilačného obvodu:
.

Obrázok 2.13 - Oscilačný obvod.

Pre zvýšenie frekvencie je potrebné znížiť L a C, t.j. otočte cievku na rovný drôt a ako
zmenšite plochu platní a roztiahnite ich na maximálnu vzdialenosť. To ukazuje, že v podstate dostaneme priamy vodič.

Takéto zariadenie sa nazýva Hertzov vibrátor. Stred je vyrezaný a pripojený k vysokofrekvenčnému transformátoru. Medzi koncami drôtov, na ktorých sú upevnené malé guľové vodiče, preskočí elektrická iskra, ktorá je zdrojom elektromagnetickej vlny. Vlna sa šíri tak, že vektor intenzity elektrického poľa kmitá v rovine, v ktorej sa vodič nachádza.

Obrázok 2.14 - Hertzov vibrátor.

Ak je ten istý vodič (anténa) umiestnený rovnobežne s žiaričom, tak náboje v ňom budú oscilovať a medzi vodičmi budú preskakovať slabé iskry.

Hertz objavil elektromagnetické vlny v experimente a zmeral ich rýchlosť, ktorá sa zhodovala s rýchlosťou vypočítanou Maxwellom a rovnala sa c=3. 108 m/s.

Striedavé elektrické pole generuje striedavé magnetické pole, ktoré zase generuje striedavé elektrické pole, to znamená, že anténa, ktorá budí jedno z polí, spôsobuje výskyt jediného elektromagnetického poľa. Najdôležitejšou vlastnosťou tohto poľa je, že sa šíri vo forme elektromagnetických vĺn.

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn v bezstratovom prostredí závisí od relatívnej dielektrickej a magnetickej permeability média. Pre vzduch je magnetická permeabilita média rovná jednej, preto sa rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn v tomto prípade rovná rýchlosti svetla.

Anténa môže byť vertikálny drôt napájaný vysokofrekvenčným generátorom. Generátor vynakladá energiu na urýchlenie pohybu voľných elektrónov vo vodiči a táto energia sa premieňa na striedavé elektromagnetické pole, teda elektromagnetické vlny. Čím vyššia je frekvencia prúdu generátora, tým rýchlejšie sa mení elektromagnetické pole a tým intenzívnejšie je hojenie vĺn.

K anténnemu drôtu je pripojené elektrické pole, ktorého siločiary začínajú kladným a končiacim záporným nábojom, a magnetické pole, ktorého čiary sa uzatvárajú okolo prúdu drôtu. Čím je perióda kmitov kratšia, tým menej času zostáva na to, aby sa energia viazaných polí vrátila do drôtu (teda do generátora) a tým viac prechádza do voľných polí, ktoré sa ďalej šíria vo forme elektromagnetických vĺn. Efektívne vyžarovanie elektromagnetických vĺn nastáva za podmienky porovnateľnosti vlnovej dĺžky a dĺžky vyžarujúceho drôtu.

Dá sa teda určiť, že rádiová vlna- je to elektromagnetické pole, ktoré nie je spojené s vysielačom a zariadením tvoriacim kanál, voľne sa šíriace priestorom vo forme vlny s frekvenciou kmitov 10 -3 až 10 12 Hz.

Oscilácie elektrónov v anténe sú vytvárané zdrojom periodicky sa meniaceho EMF s periódou T. Ak v určitom momente malo pole pri anténe maximálnu hodnotu, tak po chvíli bude mať rovnakú hodnotu T. Počas tejto doby sa elektromagnetické pole, ktoré existovalo v počiatočnom okamihu pri anténe, presunie do diaľky

λ = υТ (1)

Minimálna vzdialenosť medzi dvoma bodmi v priestore, kde má pole rovnakú hodnotu, sa nazýva vlnová dĺžka. Ako vyplýva z (1), vlnová dĺžka λ závisí od rýchlosti jej šírenia a periódy kmitania elektrónov v anténe. Ako frekvencia prúd f = 1/T, potom vlnová dĺžka λ = υ / f .

Rádiové spojenie obsahuje tieto hlavné časti:

Vysielač

Prijímač

Prostredie, v ktorom sa šíria rádiové vlny.

Vysielač a prijímač sú ovládateľné prvky rádiového spojenia, pretože je možné zvýšiť výkon vysielača, pripojiť účinnejšiu anténu a zvýšiť citlivosť prijímača. Médium je nekontrolovaným prvkom rádiového spojenia.

Rozdiel medzi rádiovým komunikačným vedením a drôtovým vedením je v tom, že drôtové vedenia využívajú ako spojovací článok vodiče alebo káble, ktoré sú ovládanými prvkami (môžete meniť ich elektrické parametre).

je to proces šírenia elektromagnetickej interakcie v priestore.
Elektromagnetické vlny sú opísané Maxwellovými rovnicami spoločnými pre elektromagnetické javy. Aj pri absencii elektrických nábojov a prúdov vo vesmíre majú Maxwellove rovnice nenulové riešenia. Tieto riešenia opisujú elektromagnetické vlny.
Pri absencii nábojov a prúdov majú Maxwellove rovnice nasledujúcu formu:

,

Použitím operácie rot na prvé dve rovnice môžete získať samostatné rovnice na určenie sily elektrického a magnetického poľa.

Tieto rovnice majú typický tvar vlnových rovníc. Ich decouplings sú superpozíciou výrazov nasledujúceho typu

Kde - Určitý vektor, ktorý sa nazýva vlnový vektor, ? - číslo nazývané cyklická frekvencia, ? - fáza. Veličiny sú amplitúdy elektrických a magnetických zložiek elektromagnetickej vlny. Sú navzájom kolmé a v absolútnej hodnote sú rovnaké. Fyzikálna interpretácia každej zo zavedených veličín je uvedená nižšie.
Vo vákuu sa elektromagnetická vlna šíri rýchlosťou nazývanou rýchlosť svetla. Rýchlosť svetla je základná fyzikálna konštanta, ktorá sa označuje latinským písmenom c. Podľa základného postulátu teórie relativity je rýchlosť svetla maximálna možná rýchlosť prenosu informácií alebo pohybu tela. Táto rýchlosť je 299 792 458 m/s.
Elektromagnetická vlna je charakterizovaná frekvenciou. Rozlišovať frekvenciu linky? a cyklická frekvencia? = 2?? V závislosti od frekvencie patria elektromagnetické vlny do jedného zo spektrálnych rozsahov.
Ďalšou charakteristikou elektromagnetickej vlny je vlnový vektor. Vlnový vektor určuje smer šírenia elektromagnetickej vlny, ako aj jej dĺžku. Absolútna hodnota vektora vetra sa nazýva vlnopočet.
Dĺžka elektromagnetickej vlny? = 2? / k, kde k je vlnové číslo.
Dĺžka elektromagnetickej vlny súvisí s frekvenciou prostredníctvom zákona rozptylu. V prázdnote je toto spojenie jednoduché:

?? = c.

Tento pomer sa často píše ako

? = c k.

Elektromagnetické vlny s rovnakou frekvenciou a vlnovým vektorom sa môžu líšiť vo fáze.
Vo vákuu sú vektory sily elektrického a magnetického poľa elektromagnetickej vlny nevyhnutne kolmé na smer šírenia vlny. Takéto vlny sa nazývajú priečne vlny. Matematicky to popisujú rovnice a . Okrem toho sú sily elektrického a magnetického poľa navzájom kolmé a v akomkoľvek bode priestoru sú vždy rovnaké v absolútnej hodnote: E = H. Ak zvolíte súradnicový systém tak, že os z sa zhoduje so smerom šírenia elektromagnetickej vlny existujú dve rôzne možnosti smerovania vektorov intenzity elektrického poľa. Ak je eklektické pole nasmerované pozdĺž osi x, potom bude magnetické pole smerované pozdĺž osi y a naopak. Tieto dve rôzne možnosti sa navzájom nevylučujú a zodpovedajú dvom rôznym polarizáciám. Tejto problematike sa podrobnejšie venujeme v článku Polarizácia vĺn.
Spektrálne rozsahy s vybraným viditeľným svetlom V závislosti od frekvencie alebo vlnovej dĺžky (tieto veličiny spolu súvisia) sú elektromagnetické vlny rozdelené do rôznych rozsahov. Vlny v rôznych rozsahoch interagujú s fyzickými telami rôznymi spôsobmi.
Elektromagnetické vlny s najnižšou frekvenciou (alebo najdlhšou vlnovou dĺžkou) sa označujú ako rádiový dosah. Rádiové pásmo sa používa na prenos signálov na diaľku pomocou rádia, televízie, mobilných telefónov. Radar pracuje v rádiovom dosahu. Rádiový dosah sa v závislosti od dĺžky elektromagnetickej vlny delí na meter, ditsemeter, centimeter, milimeter.
Elektromagnetické vlny pravdepodobne patria do infračerveného rozsahu. V infračervenej oblasti leží tepelné žiarenie tela. Registrácia tejto vibrácie je základom pre činnosť prístrojov nočného videnia. Infračervené vlny sa používajú na štúdium tepelných vibrácií v tele a pomáhajú stanoviť atómovú štruktúru pevných látok, plynov a kvapalín.
Elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou 400 nm až 800 nm patrí do oblasti viditeľného svetla. Viditeľné svetlo má rôzne farby v závislosti od frekvencie a vlnovej dĺžky.
Vlnové dĺžky menšie ako 400 nm sa nazývajú ultrafialové.Ľudské oko ich nerozlišuje, hoci ich vlastnosti sa nelíšia od vlastností vĺn vo viditeľnej oblasti. Vysoká frekvencia a následne aj energia kvanta takéhoto svetla vedie k ničivejšiemu účinku ultrafialových vĺn na biologické objekty. Zemský povrch je chránený pred škodlivými účinkami ultrafialových vĺn ozónovou vrstvou. Pre dodatočnú ochranu príroda obdarila ľudí tmavou pokožkou. Ľudia však potrebujú ultrafialové lúče na produkciu vitamínu D. Preto ľudia v severných zemepisných šírkach, kde je intenzita ultrafialových vĺn menej intenzívna, stratili tmavú farbu pleti.
Vyššie frekvencie sú elektromagnetické vlny röntgen rozsah. Nazývajú sa tak, pretože ich objavil Roentgen, ktorý študoval žiarenie, ktoré vzniká pri spomaľovaní elektrónov. V zahraničnej literatúre sa takéto vlny nazývajú röntgenové lúče rešpektujúc Roentgenovo želanie, aby ho lúče neoslovovali jeho menom. Röntgenové vlny slabo interagujú s hmotou a sú absorbované silnejšie tam, kde je hustota väčšia. Táto skutočnosť sa využíva v medicíne na röntgenovú fluorografiu. Röntgenové vlny sa používajú aj na elementárnu analýzu a štúdium štruktúry kryštalických telies.
majú najvyššiu frekvenciu a najkratšiu dĺžku ?-lúče. Takéto lúče vznikajú v dôsledku jadrových reakcií a reakcií medzi elementárnymi časticami. ?-lúče majú veľký deštruktívny účinok na biologické objekty. Vo fyzike sa však používajú na štúdium rôznych charakteristík atómového jadra.
Energia elektromagnetickej vlny je určená súčtom energií elektrických a magnetických polí. Hustota energie v určitom bode v priestore je daná:

.

Časovo spriemerovaná hustota energie sa rovná.

,

Kde E 0 = H 0 je amplitúda vlny.
Hustota energetického toku elektromagnetickej vlny má veľký význam. Predovšetkým určuje svetelný tok v optike. Hustota toku energie elektromagnetickej vlny je daná Umov-Poyntingovým vektorom.

Šírenie elektromagnetických vĺn v médiu má v porovnaní so šírením vo vákuu množstvo vlastností. Tieto vlastnosti súvisia s vlastnosťami média a vo všeobecnosti závisia od frekvencie elektromagnetickej vlny. Elektrické a magnetické zložky vlny spôsobujú polarizáciu a magnetizáciu média. Táto odozva média nie je rovnaká v prípade nízkych a vysokých frekvencií. Pri nízkej frekvencii elektromagnetickej vlny majú elektróny a ióny látky čas reagovať na zmeny intenzity elektrického a magnetického poľa. Odozva média sleduje časové výkyvy do vĺn. Pri vysokej frekvencii sa elektróny a ióny látky počas obdobia oscilácie vlnových polí nestihnú posunúť, a preto je polarizácia a magnetizácia média oveľa menšia.
Nízkofrekvenčné elektromagnetické pole nepreniká do kovov, kde je veľa voľných elektrónov, ktoré sú takto vytesnené, úplne uhasia elektromagnetické vlnenie. Elektromagnetická vlna začne prenikať kovom s frekvenciou presahujúcou určitú frekvenciu, ktorá sa nazýva plazmová frekvencia. Pri frekvenciách nižších ako je frekvencia plazmy môže elektromagnetická vlna preniknúť do povrchovej vrstvy kovu. Tento jav sa nazýva kožný efekt.
V dielektrikách sa zákon rozptylu elektromagnetickej vlny mení. Ak sa elektromagnetické vlny šíria s konštantnou amplitúdou vo vákuu, potom sa v prostredí rozpadajú v dôsledku absorpcie. V tomto prípade sa energia vlny prenáša na elektróny alebo ióny média. Celkovo má disperzný zákon pri absencii magnetických efektov formu

Kde vlnové číslo k je celková komplexná veličina, ktorej imaginárna časť popisuje pokles amplitúdy elektromagnetickej vlny, je frekvenčne závislá komplexná permitivita prostredia.
V anizotropných prostrediach nie je smer vektorov elektrických a magnetických polí nevyhnutne kolmý na smer šírenia vlny. Smer vektorov elektrickej a magnetickej indukcie si však túto vlastnosť zachováva.
V prostredí sa za určitých podmienok môže šíriť iný typ elektromagnetického vlnenia - pozdĺžne elektromagnetické vlnenie, pre ktoré sa smer vektora intenzity elektrického poľa zhoduje so smerom šírenia vlny.
Na začiatku dvadsiateho storočia, aby vysvetlil spektrum žiarenia čierneho telesa, Max Planck navrhol, že elektromagnetické vlny sú emitované kvantami s energiou úmernou frekvencii. O niekoľko rokov neskôr Albert Einstein, vysvetľujúci fenomén fotoelektrického javu, túto myšlienku rozšíril o predpoklad, že elektromagnetické vlny sú absorbované rovnakými kvantami. Tak sa ukázalo, že elektromagnetické vlny sa vyznačujú niektorými vlastnosťami, ktoré sa predtým pripisovali hmotným časticiam, časticiam.
Táto myšlienka sa nazýva dualizmus korpuskulárnych vĺn.

Mnohé vzory vlnových procesov sú univerzálnej povahy a sú rovnako platné pre vlny rôzneho charakteru: mechanické vlny v elastickom prostredí, vlny na hladine vody, v napnutom povraze atď. Elektromagnetické vlny, ktoré sú procesom šírenia oscilácie elektromagnetického poľa nie sú výnimkou. Ale na rozdiel od iných typov vĺn, ktoré sa šíria v nejakom materiálnom prostredí, sa elektromagnetické vlny môžu šíriť vo vákuu: na šírenie elektrických a magnetických polí nie je potrebné žiadne materiálne prostredie. Elektromagnetické vlny však môžu existovať nielen vo vákuu, ale aj v hmote.

Predpovedanie elektromagnetických vĺn. Existenciu elektromagnetických vĺn teoreticky predpovedal Maxwell ako výsledok analýzy ním navrhovaného systému rovníc popisujúcich elektromagnetické pole. Maxwell ukázal, že elektromagnetické pole vo vákuu môže existovať aj bez zdrojov – nábojov a prúdov. Pole bez zdrojov má tvar vĺn šíriacich sa konečnou rýchlosťou cm/s, v ktorých sú vektory elektrického a magnetického poľa v každom časovom okamihu v každom bode priestoru navzájom kolmé a kolmé na smer vlny. propagácia.

Experimentálne elektromagnetické vlny objavil a študoval Hertz len 10 rokov po Maxwellovej smrti.

otvorený vibrátor. Aby sme pochopili, ako možno experimentálne získať elektromagnetické vlny, uvažujme o „otvorenom“ oscilačnom obvode, v ktorom sú dosky kondenzátora od seba vzdialené (obr. 176), a preto elektrické pole zaberá veľkú plochu priestoru. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi doskami klesá kapacita C kondenzátora a v súlade s Thomsonovým vzorcom sa zvyšuje frekvencia vlastných kmitov. Ak nahradíme aj tlmivku kúskom drôtu, tak sa indukčnosť zníži a vlastná frekvencia sa ešte zvýši. V tomto prípade nielen elektrické, ale aj magnetické pole, ktoré bolo predtým uzavreté vo vnútri cievky, bude teraz zaberať veľkú oblasť priestoru pokrývajúceho tento drôt.

Zvýšenie frekvencie kmitov v obvode, ako aj zvýšenie jeho lineárnych rozmerov vedie k tomu, že obdobie prirodzeného

oscilácií sa stáva porovnateľným s dobou šírenia elektromagnetického poľa pozdĺž celého obvodu. To znamená, že procesy prirodzených elektromagnetických oscilácií v takomto otvorenom okruhu už nemožno považovať za kvázistacionárne.

Ryža. 176. Prechod z oscilačného obvodu na otvorený vibrátor

Sila prúdu na rôznych miestach súčasne je odlišná: na koncoch obvodu je vždy nulová a v strede (kde bývala cievka) kmitá s maximálnou amplitúdou.

V obmedzujúcom prípade, keď sa oscilačný obvod jednoducho zmenil na segment priameho drôtu, je rozdelenie prúdu pozdĺž obvodu v určitom časovom okamihu znázornené na obr. 177a. V momente, keď je sila prúdu v takomto vibrátore maximálna, aj magnetické pole, ktoré ho pokrýva, dosiahne maximum a v blízkosti vibrátora nie je žiadne elektrické pole. Po štvrtine periódy prúdová sila zmizne a s ňou aj magnetické pole v blízkosti vibrátora; elektrické náboje sú sústredené v blízkosti koncov vibrátora a ich rozloženie má tvar znázornený na obr. 1776. Elektrické pole v blízkosti vibrátora je v tomto momente maximálne.

Ryža. 177. Distribúcia na otvorenom vibrátore sily prúdu v momente, keď je maximálna (a), a distribúcia nábojov po štvrtine periódy (b)

Tieto oscilácie náboja a prúdu, t. j. elektromagnetické oscilácie v otvorenom vibrátore, sú celkom analogické s mechanickými osciláciami, ktoré sa môžu vyskytnúť v oscilačnej pružine, ak sa odstráni masívne teleso, ktoré je k nej pripojené. V tomto prípade je potrebné vziať do úvahy hmotnosť jednotlivých častí pružiny a považovať ju za distribuovaný systém, v ktorom má každý prvok elastické aj inertné vlastnosti. V prípade otvoreného elektromagnetického vibrátora má každý z jeho prvkov súčasne aj indukčnosť a kapacitu.

Elektrické a magnetické polia vibrátora. Nekvázistacionárny charakter kmitov v otvorenom vibrátore vedie k tomu, že polia vytvorené jeho jednotlivými sekciami v určitej vzdialenosti od vibrátora sa už navzájom nekompenzujú, ako je to v prípade „uzavretého“ oscilačného okruhu s sústredené parametre, kde sú oscilácie kvázistacionárne, elektrické pole je úplne sústredené vo vnútri kondenzátora a magnetické - vo vnútri cievky. Kvôli takémuto priestorovému oddeleniu elektrických a magnetických polí navzájom priamo nesúvisia: ich vzájomná transformácia je spôsobená iba prúdom - prenosom náboja pozdĺž obvodu.

Pri otvorenom vibrátore, kde sa elektrické a magnetické polia v priestore prekrývajú, dochádza k ich vzájomnému ovplyvňovaniu: meniace sa magnetické pole generuje vírivé elektrické pole a meniace sa elektrické pole generuje magnetické pole. V dôsledku toho je možná existencia takýchto „samostatných“ polí šíriacich sa vo voľnom priestore vo veľkej vzdialenosti od vibrátora. Ide o elektromagnetické vlny vyžarované vibrátorom.

Hertzove experimenty. Vibrátor, pomocou ktorého G. Hertz v roku 1888 ako prvý experimentálne získal elektromagnetické vlny, bol priamy vodič s malou vzduchovou medzerou v strede (obr. 178a). Vďaka tejto medzere by sa do dvoch polovíc vibrátora mohli dostať významné náboje. Keď rozdiel potenciálov dosiahol určitú hraničnú hodnotu, došlo vo vzduchovej medzere k poruche (preskočila iskra) a elektrické náboje mohli prúdiť ionizovaným vzduchom z jednej polovice vibrátora do druhej. V otvorenom okruhu vznikali elektromagnetické oscilácie. Aby rýchle striedavé prúdy existovali iba vo vibrátore a neuzatvárali sa cez zdroj energie, boli medzi vibrátor a zdroj zapojené tlmivky (pozri obr. 178a).

Ryža. 178. Hertzový vibrátor

Vysokofrekvenčné vibrácie vo vibrátore existujú, pokiaľ iskra uzatvára medzeru medzi jeho polovicami. K tlmeniu takýchto kmitov vo vibrátore nedochádza hlavne v dôsledku strát Joule na odpore (ako v uzavretom oscilačnom obvode), ale v dôsledku vyžarovania elektromagnetických vĺn.

Na detekciu elektromagnetických vĺn použil Hertz druhý (prijímací) vibrátor (obr. 1786). Pôsobením striedavého elektrického poľa vlny prichádzajúcej z žiariča vykonávajú elektróny v prijímacom vibrátore vynútené kmity, t.j. vo vibrátore sa vybudí rýchlo striedavý prúd. Ak sú rozmery prijímacieho vibrátora rovnaké ako rozmery vyžarovacieho, potom sa frekvencie prirodzených elektromagnetických kmitov v nich zhodujú a vynútené kmity v prijímacom vibrátore dosahujú v dôsledku rezonancie znateľné hodnoty. Tieto oscilácie detekoval Hertz prechodom iskry v mikroskopickej medzere v strede prijímacieho vibrátora alebo žiarou miniatúrnej plynovej výbojky G, spojenej medzi polovicami vibrátora.

Hertz nielenže experimentálne dokázal existenciu elektromagnetických vĺn, ale po prvýkrát začal skúmať ich vlastnosti – absorpciu a lom v rôznych prostrediach, odraz od kovových povrchov a pod. Experimentálne bolo možné merať aj rýchlosť elektromagnetických vĺn, ktorá sa ukázala byť rovná rýchlosti svetla.

Zhoda rýchlosti elektromagnetických vĺn s rýchlosťou svetla nameranou dávno pred ich objavom slúžila ako východiskový bod pre stotožnenie svetla s elektromagnetickými vlnami a vytvorenie elektromagnetickej teórie svetla.

Elektromagnetická vlna existuje bez zdrojov polí v tom zmysle, že po jej vyžarovaní nie je elektromagnetické pole vlny spojené so zdrojom. Týmto spôsobom sa elektromagnetická vlna líši od statických elektrických a magnetických polí, ktoré neexistujú izolovane od zdroja.

Mechanizmus vyžarovania elektromagnetických vĺn. K vyžarovaniu elektromagnetických vĺn dochádza pri zrýchlenom pohybe elektrických nábojov. Ako vzniká priečne elektrické pole vlny z radiálneho Coulombovho poľa bodového náboja, je možné pochopiť pomocou nasledujúcej jednoduchej úvahy navrhnutej J. Thomsonom.

Ryža. 179. Pole nehybného bodového náboja

Uvažujme elektrické pole vytvorené bodovým nábojom Ak je náboj v pokoji, potom jeho elektrostatické pole predstavujú radiálne siločiary vychádzajúce z náboja (obr. 179). Nech sa náboj v čase pôsobením nejakej vonkajšej sily začne pohybovať so zrýchlením a a po určitom čase sa pôsobenie tejto sily zastaví, takže náboj sa ďalej rovnomerne pohybuje rýchlosťou. Graf rýchlosti náboja je znázornené na obr. 180.

Predstavte si obraz čiar elektrického poľa vytvoreného týmto nábojom po dlhom čase. Keďže elektrické pole sa šíri rýchlosťou svetla c,

potom zmena elektrického poľa spôsobená pohybom náboja nemohla dosiahnuť body ležiace mimo sféry polomeru: mimo tejto sféry je pole rovnaké ako pri stacionárnom náboji (obr. 181). Sila tohto poľa (v Gaussovej sústave jednotiek) sa rovná

Celá zmena elektrického poľa spôsobená zrýchleným pohybom náboja v priebehu času je vo vnútri tenkej guľovej vrstvy s hrúbkou, ktorej vonkajší polomer je rovný a vnútorný - To je znázornené na obr. 181. Vo vnútri sféry polomeru je elektrické pole poľom rovnomerne sa pohybujúceho náboja.

Ryža. 180. Graf miery nabíjania

Ryža. 181. Čiary intenzity elektrického poľa náboja pohybujúceho sa podľa grafu na obr. 180

Ryža. 182. K odvodeniu vzorca pre intenzitu poľa žiarenia zrýchlene sa pohybujúceho náboja

Ak je rýchlosť náboja oveľa menšia ako rýchlosť svetla c, potom sa toto pole v čase zhoduje s poľom stacionárneho bodového náboja umiestneného vo vzdialenosti od začiatku (obr. 181): pole náboja pomaly pohybujúci sa konštantnou rýchlosťou sa pohybuje spolu s ním a vzdialenosť, ktorú náboj prejde v priebehu času, ako je možné vidieť na obr. 180, možno považovať za rovnaké, ak r»t.

Obrázok elektrického poľa vo vnútri guľovej vrstvy je ľahké nájsť vzhľadom na kontinuitu siločiar. K tomu je potrebné pripojiť zodpovedajúce radiálne siločiary (obr. 181). Zalomenie v siločiarach spôsobené zrýchleným pohybom náboja "uteká" od náboja rýchlosťou c. Zalomenie v siločiarach medzi nimi

gule, to je pre nás zaujímavé pole žiarenia, ktoré sa šíri rýchlosťou c.

Na nájdenie poľa žiarenia uvažujme jednu z čiar intenzity, ktorá zviera určitý uhol so smerom pohybu náboja (obr. 182). Vektor intenzity elektrického poľa v zlome E rozložíme na dve zložky: radiálnu a priečnu Radiálna zložka je sila elektrostatického poľa vytvoreného nábojom vo vzdialenosti od neho:

Priečna zložka je sila elektrického poľa vo vlne vyžarovanej nábojom pri zrýchlenom pohybe. Keďže táto vlna prebieha pozdĺž polomeru, vektor je kolmý na smer šírenia vlny. Z obr. 182 to ukazuje

Nahradením tu z (2) nájdeme

Vzhľadom na to, že pomer je zrýchlenie a, s ktorým sa náboj pohyboval v časovom intervale od 0 do, prepíšeme tento výraz do tvaru

V prvom rade dbáme na to, že sila elektrického poľa vlny klesá nepriamo úmerne so vzdialenosťou od stredu, na rozdiel od sily elektrostatického poľa, ktorá je úmerná takejto závislosti od vzdialenosti. a treba ho očakávať, ak vezmeme do úvahy zákon zachovania energie. Pretože nedochádza k absorpcii energie, keď sa vlna šíri v prázdnote, množstvo energie, ktoré prešlo guľou akéhokoľvek polomeru, je rovnaké. Pretože plocha povrchu gule je úmerná druhej mocnine jej polomeru, tok energie cez jednotku jej povrchu musí byť nepriamo úmerný druhej mocnine polomeru. Vzhľadom na to, že hustota energie elektrického poľa vlny je rovnaká, dospeli sme k tomu

Ďalej si všimneme, že sila poľa vlny vo vzorci (4) v okamihu závisí od zrýchlenia náboja a v okamihu, keď vlna vyžarovaná v danom okamihu dosiahne bod nachádzajúci sa vo vzdialenosti po určitom čase. rovná

Vyžarovanie oscilujúceho náboja. Predpokladajme teraz, že náboj sa neustále pohybuje po priamke s určitým premenlivým zrýchlením blízko počiatku, napríklad vykonáva harmonické kmity. Kým bude, bude nepretržite vyžarovať elektromagnetické vlny. Intenzita elektrického poľa vlny v bode, ktorý sa nachádza vo vzdialenosti od začiatku súradníc, je stále určená vzorcom (4) a pole v čase závisí od zrýchlenia náboja a v skoršom okamihu.

Nech je pohyb náboja harmonické kmitanie blízko počiatku s určitou amplitúdou A a frekvenciou w:

Zrýchlenie náboja pri takomto pohybe je dané výrazom

Dosadením zrýchlenia náboja do vzorca (5) dostaneme

Zmena elektrického poľa v ktoromkoľvek bode počas prechodu takejto vlny je harmonická oscilácia s frekvenciou , t.j. oscilujúci náboj vyžaruje monochromatickú vlnu. Samozrejme, vzorec (8) platí na vzdialenosti väčšie ako je amplitúda oscilácií náboja A.

Energia elektromagnetickej vlny. Hustotu energie elektrického poľa monochromatickej vlny emitovanej nábojom možno nájsť pomocou vzorca (8):

Hustota energie je úmerná druhej mocnine amplitúdy oscilácie náboja a štvrtej mocnine frekvencie.

Akékoľvek kolísanie je spojené s periodickými prechodmi energie z jednej formy do druhej a naopak. Napríklad kmity mechanického oscilátora sú sprevádzané vzájomnými premenami kinetickej energie a potenciálnej energie elastickej deformácie. Pri štúdiu elektromagnetických oscilácií v obvode sme videli, že analógom potenciálnej energie mechanického oscilátora je energia elektrického poľa v kondenzátore a analógom kinetickej energie je energia magnetického poľa cievky. Táto analógia platí nielen pre lokalizované oscilácie, ale aj pre vlnové procesy.

V monochromatickej vlne pohybujúcej sa v elastickom prostredí hustota kinetickej a potenciálnej energie v každom bode vykonáva harmonické oscilácie s dvojnásobnou frekvenciou a takým spôsobom, že ich hodnoty sa kedykoľvek zhodujú. Je to rovnaké ako pri postupujúcej monochromatickej elektromagnetickej vlne: hustoty energie elektrického a magnetického poľa, ktoré vytvárajú harmonické kmitanie s frekvenciou, sú v každom bode a kedykoľvek rovnaké.

Hustota energie magnetického poľa je vyjadrená pomocou indukcie B takto:

Porovnaním hustoty energie elektrického a magnetického poľa v postupujúcej elektromagnetickej vlne sme presvedčení, že indukcia magnetického poľa v takejto vlne závisí od súradníc a času rovnako ako intenzita elektrického poľa. Inými slovami, v postupujúcej vlne sú indukcia magnetického poľa a intenzita elektrického poľa navzájom rovnaké v akomkoľvek bode a v akomkoľvek čase (v Gaussovom systéme jednotiek):

Tok energie elektromagnetickej vlny. Celková hustota energie elektromagnetického poľa v postupujúcej vlne je dvojnásobkom hustoty energie elektrického poľa (9). Hustota toku energie y prenášaná vlnou sa rovná súčinu hustoty energie a rýchlosti šírenia vlny. Pomocou vzorca (9) môžeme vidieť, že tok energie cez ktorýkoľvek povrch osciluje s frekvenciou.Na zistenie priemernej hodnoty hustoty toku energie je potrebné spriemerovať výraz (9) v čase. Keďže stredná hodnota je 1/2, dostaneme

Ryža. 183. Uhlové rozloženie energie“ emitovanej oscilujúcim nábojom

Hustota toku energie vo vlne závisí od smeru: v smere, v ktorom dochádza k osciláciám náboja, sa nevyžaruje vôbec žiadna energia.Najväčšie množstvo energie sa vyžaruje v rovine kolmej na tento smer. 183. Náboj kmitá pozdĺž osi

smer energie, t.j. Diagram ukazuje čiaru spájajúcu konce týchto segmentov.

Rozloženie energie v smeroch v priestore je charakterizované povrchom, ktorý sa získa otáčaním diagramu okolo osi

Polarizácia elektromagnetických vĺn. Vlna generovaná vibrátorom počas harmonických kmitov sa nazýva monochromatická. Monochromatické vlnenie je charakterizované určitou frekvenciou co a vlnovou dĺžkou X. Vlnová dĺžka a frekvencia sú spojené prostredníctvom rýchlosti šírenia vlny c:

Elektromagnetická vlna vo vákuu je priečna: vektor intenzity elektromagnetického poľa vlny, ako je možné vidieť z vyššie uvedenej úvahy, je kolmý na smer šírenia vlny. Nakreslíme cez pozorovací bod Р na obr. 184 guľa so stredom v počiatku, okolo ktorej pozdĺž osi kmitá vyžarujúci náboj. Nakreslite naň rovnobežky a poludníky. Potom bude vektor E vlnového poľa smerovať tangenciálne k poludníku a vektor B je kolmý na vektor E a smerovaný tangenciálne k rovnobežke.

Aby sme si to overili, uvažujme podrobnejšie o vzťahu medzi elektrickým a magnetickým poľom v postupujúcej vlne. Tieto polia po emisii vlny už nie sú spojené so zdrojom. Pri zmene elektrického poľa vlny vzniká magnetické pole, ktorého siločiary, ako sme videli pri štúdiu posuvného prúdu, sú kolmé na siločiary elektrického poľa. Toto striedavé magnetické pole, ktoré sa mení, zase vedie k vzniku vírivého elektrického poľa, ktoré je kolmé na magnetické pole, ktoré ho vytvorilo. Počas šírenia vlny sa teda elektrické a magnetické pole navzájom podporujú, pričom zostávajú po celý čas navzájom kolmé. Pretože pri postupujúcej vlne sa elektrické a magnetické polia navzájom vo fáze menia, okamžitý „portrét“ vlny (vektory E a B v rôznych bodoch čiary pozdĺž smeru šírenia) má tvar znázornený na obr. 185. Takáto vlna sa nazýva lineárne polarizovaná. Harmonický oscilujúci náboj vyžaruje lineárne polarizované vlny vo všetkých smeroch. V lineárne polarizovanej vlne pohybujúcej sa v ľubovoľnom smere je vektor E vždy v rovnakej rovine.

Pretože náboje v lineárnom elektromagnetickom vibrátore vykonávajú práve takýto oscilačný pohyb, elektromagnetická vlna vyžarovaná vibrátorom je lineárne polarizovaná. Je ľahké to overiť experimentálne zmenou orientácie prijímacieho vibrátora vzhľadom na emitujúci.

Ryža. 185. Elektrické a magnetické polia v postupujúcej lineárne polarizovanej vlne

Signál je najväčší, keď je prijímací vibrátor rovnobežný s vysielacím (pozri obr. 178). Ak je prijímací vibrátor otočený kolmo na vysielací vibrátor, signál zmizne. Elektrické oscilácie v prijímacom vibrátore sa môžu objaviť iba v dôsledku zložky elektrického poľa vlny smerujúcej pozdĺž vibrátora. Preto takýto experiment naznačuje, že elektrické pole vo vlne je rovnobežné s vyžarujúcim vibrátorom.

Možné sú aj iné typy polarizácie priečnych elektromagnetických vĺn. Ak sa napríklad vektor E v určitom bode počas prechodu vlny rovnomerne otáča okolo smeru šírenia a zostáva nezmenený v absolútnej hodnote, potom sa vlna nazýva kruhovo polarizovaná alebo kruhovo polarizovaná. Okamžitý "portrét" elektrického poľa takejto elektromagnetickej vlny je znázornený na obr. 186.

Ryža. 186. Elektrické pole v postupujúcej kruhovo polarizovanej vlne

Kruhovo polarizovanú vlnu možno získať pridaním dvoch lineárne polarizovaných vĺn rovnakej frekvencie a amplitúdy šíriacich sa v rovnakom smere, pričom vektory elektrického poľa sú navzájom kolmé. V každej z vĺn vektor elektrického poľa v každom bode vykonáva harmonickú osciláciu. Aby súčet takýchto vzájomne kolmých kmitov vyústil do rotácie výsledného vektora, je nutný fázový posun.Inými slovami, lineárne polarizované vlny, ktoré sa sčítavajú, musia byť voči sebe posunuté o štvrtinu vlnovej dĺžky.

Vlnová hybnosť a ľahký tlak. Elektromagnetická vlna má spolu s energiou aj hybnosť. Ak je vlna absorbovaná, jej hybnosť sa prenesie na objekt, ktorý ju pohltí. Z toho vyplýva, že počas absorpcie elektromagnetická vlna vyvíja tlak na bariéru. Pôvod vlnového tlaku a hodnotu tohto tlaku možno vysvetliť nasledovne.

Smerované v priamej línii. Potom sa výkon absorbovaný nábojom P rovná

Predpokladáme, že všetka energia dopadajúcej vlny je absorbovaná bariérou. Pretože vlna prináša energiu na jednotku plochy povrchu bariéry za jednotku času, tlak vyvíjaný vlnou pri kolmom dopade sa rovná hustote energie vlny Tlaková sila absorbovanej elektromagnetickej vlny pôsobí na bariéru za jednotku. čas impulz rovný podľa vzorca (15) absorbovanej energii vydelenej rýchlosťou svetla. A to znamená, že absorbovaná elektromagnetická vlna mala hybnosť, ktorá sa rovná energii delenej rýchlosťou svetla.

Prvýkrát tlak elektromagnetických vĺn experimentálne objavil P. N. Lebedev v roku 1900 v mimoriadne rafinovaných pokusoch.

Ako sa kvázistacionárne elektromagnetické oscilácie v uzavretom oscilačnom obvode líšia od vysokofrekvenčných oscilácií v otvorenom vibrátore? Daj mi mechanickú analógiu.

Vysvetlite, prečo elektromagnetické vlny nevyžarujú v uzavretom okruhu pri elektromagnetických kvázistacionárnych osciláciách. Prečo vzniká žiarenie pri elektromagnetických osciláciách v otvorenom vibrátore?

Popíšte a vysvetlite Hertzove experimenty s excitáciou a detekciou elektromagnetických vĺn. Akú úlohu hrá iskrisko vo vysielacích a prijímacích vibrátoroch?

Vysvetlite, ako sa pri zrýchlenom pohybe elektrického náboja mení pozdĺžne elektrostatické pole na priečne elektrické pole ním vyžarovanej elektromagnetickej vlny.

Na základe energetických úvah ukážte, že intenzita elektrického poľa sférickej vlny vyžarovanej vibrátorom klesá ako 1 1 r (na rozdiel od elektrostatického poľa).

Čo je to monochromatické elektromagnetické vlnenie? Čo je vlnová dĺžka? Ako to súvisí s frekvenciou? Aká je priečna vlastnosť elektromagnetických vĺn?

Aká je polarizácia elektromagnetickej vlny? Aké druhy polarizácie poznáte?

Aké argumenty môžete uviesť na odôvodnenie skutočnosti, že elektromagnetická vlna má hybnosť?

Vysvetlite úlohu Lorentzovej sily pri vzniku tlakovej sily elektromagnetických vĺn na bariéru.

), ktorý popisuje elektromagnetické pole, teoreticky ukázal, že elektromagnetické pole vo vákuu môže existovať aj bez zdrojov - nábojov a prúdov. Pole bez zdrojov má tvar vĺn šíriacich sa konečnou rýchlosťou, ktorá sa vo vákuu rovná rýchlosti svetla: s= 299792458±1,2 m/s. Zhoda rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu s rýchlosťou svetla nameranou skôr umožnila Maxwellovi dospieť k záveru, že svetlo sú elektromagnetické vlny. Tento záver neskôr vytvoril základ elektromagnetickej teórie svetla.

V roku 1888 získala teória elektromagnetických vĺn experimentálne potvrdenie v experimentoch G. Hertza. Pomocou vysokonapäťového zdroja a vibrátorov (pozri Hertzov vibrátor) bol Hertz schopný vykonávať jemné experimenty na určenie rýchlosti šírenia elektromagnetickej vlny a jej dĺžky. Experimentálne sa potvrdilo, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny sa rovná rýchlosti svetla, čo dokázalo elektromagnetickú povahu svetla.