J. Maxwell v roku 1864 vytvoril teóriu elektromagnetického poľa, podľa ktorej elektrické a magnetické polia existujú ako vzájomne súvisiace zložky jediného celku – elektromagnetického poľa. V priestore, kde existuje striedavé magnetické pole, je excitované striedavé elektrické pole a naopak.

Elektromagnetické pole- jeden z druhov látok, vyznačujúci sa prítomnosťou elektrických a magnetických polí spojených kontinuálnou vzájomnou premenou.

Elektromagnetické pole sa šíri v priestore vo forme elektromagnetických vĺn. Kolísanie vektora napätia E a vektor magnetickej indukcie B sa vyskytujú vo vzájomne kolmých rovinách a kolmých na smer šírenia vlny (vektor rýchlosti).

Tieto vlny sú emitované vibrujúcimi nabitými časticami, ktoré sa pohybujú so zrýchlením vo vodiči. Keď sa náboj pohybuje vo vodiči, vytvára sa striedavé elektrické pole, ktoré generuje striedavé magnetické pole, a to zase spôsobuje výskyt striedavého elektrického poľa vo väčšej vzdialenosti od náboja atď.

Elektromagnetické pole, ktoré sa šíri v priestore v čase, sa nazýva elektromagnetická vlna.

Elektromagnetické vlny sa môžu šíriť vo vákuu alebo v akejkoľvek inej látke. Elektromagnetické vlny vo vákuu sa šíria rýchlosťou svetla c = 3 · 108 m/s... V hmote je rýchlosť elektromagnetickej vlny menšia ako vo vákuu. Elektromagnetická vlna prenáša energiu.

Elektromagnetická vlna má tieto základné vlastnosti:šíri sa priamočiaro, je schopný lomu, odrazu, sú mu vlastné javy difrakcie, interferencie, polarizácie. Všetky tieto vlastnosti majú svetelné vlny zaberajúce príslušný rozsah vlnových dĺžok na stupnici elektromagnetického žiarenia.

Vieme, že dĺžka elektromagnetických vĺn je veľmi rozdielna. Pri pohľade na škálu elektromagnetických vĺn označujúcich vlnové dĺžky a frekvencie rôznych žiarení rozlišujeme 7 rozsahov: nízkofrekvenčné žiarenie, rádiové vyžarovanie, infračervené lúče, viditeľné svetlo, ultrafialové lúče, röntgenové lúče a gama lúče.

• Nízkofrekvenčné vlny ... Zdroje žiarenia: vysokofrekvenčné prúdy, alternátor, elektrické stroje. Používajú sa na tavenie a kalenie kovov, výrobu permanentných magnetov, v elektrotechnickom priemysle.
• Rádiové vlny vznikajú v anténach rozhlasových a televíznych staníc, mobilných telefónoch, radaroch a pod. Používajú sa v rádiokomunikáciách, televízii a radaroch.
• Infračervené vlny všetky vyhrievané telesá vyžarujú. Použitie: tavenie, rezanie, zváranie žiaruvzdorných kovov laserom, fotografovanie v hmle a tme, sušenie dreva, ovocia a bobúľ, prístroje nočného videnia.
• Viditeľné žiarenie. Zdroje - Slnko, elektrická a žiarivka, elektrický oblúk, laser. Aplikované: osvetlenie, fotografický efekt, holografia.
• Ultrafialové žiarenie ... Zdroje: Slnko, vesmír, plynová výbojka (kremenná) výbojka, laser. Je schopný zabíjať baktérie spôsobujúce choroby. Používa sa na otužovanie živých organizmov.
• Röntgenové žiarenie .

Vždy, keď elektrický prúd zmení svoju frekvenciu alebo smer, generuje elektromagnetické vlny – oscilácie elektrických a magnetických silových polí v priestore. Jedným príkladom je meniaci sa prúd v anténe rádiového vysielača, ktorý vytvára prstence rádiových vĺn šíriacich sa vesmírom.

Energia elektromagnetickej vlny závisí od jej dĺžky – vzdialenosti medzi dvoma susednými „vrcholmi“. Čím kratšia je vlnová dĺžka, tým vyššia je jeho energia. V klesajúcom poradí ich dĺžky sa elektromagnetické vlny delia na rádiové vlny, infračervené žiarenie, viditeľné svetlo, ultrafialové, röntgenové a gama žiarenie. Vlnová dĺžka gama žiarenia nedosahuje ani stomiliardtinu metra, pričom rádiové vlny možno merať v kilometroch.

Elektromagnetické vlny sa šíria v priestore rýchlosťou svetla a siločiary ich elektrických a magnetických polí sú umiestnené v pravom uhle k sebe a k smeru pohybu vĺn.

Elektromagnetické vlny sa rozchádzajú v postupne sa rozširujúcich kruhoch od vysielacej antény obojsmernej rádiovej stanice, rovnako ako vlny spôsobené kamienkom padajúcim do jazierka. Striedavý elektrický prúd v anténe vytvára vlny pozostávajúce z elektrických a magnetických polí.

Diagram elektromagnetických vĺn

Elektromagnetická vlna sa šíri priamočiaro a jej elektrické a magnetické polia sú kolmé na tok energie.

Lom elektromagnetických vĺn

Rovnako ako svetlo, všetky elektromagnetické vlny sa lámu, keď vstupujú do hmoty v akomkoľvek inom než pravom uhle.

Odraz elektromagnetických vĺn

Keď elektromagnetické vlny dopadnú na kovový parabolický povrch, sú sústredené do bodu.

Rast elektromagnetických vĺn

falošný vzor elektromagnetických vĺn vyžarujúcich z vysielacej antény vzniká z jedinej vlny elektrického prúdu. Keď prúd preteká anténou, elektrické pole (červené čiary) smeruje zhora nadol a magnetické pole (zelené čiary) je proti smeru hodinových ručičiek. Ak prúd zmení svoj smer, to isté sa stane s elektrickým a magnetickým poľom.

Elektromagnetické vlny sú výsledkom rokov kontroverzií a tisícok experimentov. Dôkaz prítomnosti síl prírodného pôvodu, schopných prevrátiť zavedenú spoločnosť. Toto je skutočné prijatie jednoduchej pravdy – vieme príliš málo o svete, v ktorom žijeme.

Fyzika je kráľovnou medzi prírodnými vedami, ktorá dokáže dať odpovede na otázky vzniku nielen života, ale aj sveta samotného. Vedcom dáva možnosť študovať elektrické a magnetické polia, ktorých interakcia generuje EMW (elektromagnetické vlny).

Čo je elektromagnetická vlna

Nie je to tak dávno, čo sa na plátna našej krajiny dostal film War of Currents (2018), kde s nádychom fikcie rozpráva o spore dvoch veľkých vedcov Edisona a Tesly. Jeden sa snažil dokázať výhody jednosmerného prúdu, druhý - zo striedavého prúdu. Táto dlhotrvajúca bitka sa skončila až v siedmom roku dvadsiateho prvého storočia.

Na samom začiatku „bitky“ iný vedec, zaoberajúci sa vývojom teórie relativity, opísal elektrinu a magnetizmus ako podobné javy.

V tridsiatom roku devätnásteho storočia objavil fyzik anglického pôvodu Faraday fenomén elektromagnetickej indukcie a vytvoril termín jednoty elektrického a magnetického poľa. Tvrdil tiež, že pohyb v tomto poli je obmedzený rýchlosťou svetla.

O niečo neskôr teória anglického vedca Maxwella povedala, že elektrina spôsobuje magnetický efekt a magnetizmus - vzhľad elektrického poľa. Keďže sa obe tieto polia pohybujú v priestore a čase, vytvárajú poruchy – teda elektromagnetické vlny.

Jednoducho povedané, elektromagnetické vlnenie je priestorová porucha elektromagnetického poľa.

Existenciu EMW experimentálne dokázal nemecký vedec Hertz.

Elektromagnetické vlny, ich vlastnosti a charakteristiky

Elektromagnetické vlny sú charakterizované nasledujúcimi faktormi:

• dĺžka (dostatočne široký rozsah);
• frekvencia;
• intenzita (alebo amplitúda vibrácií);
• množstvo energie.

Hlavnou vlastnosťou všetkého elektromagnetického žiarenia je vlnová dĺžka (vo vákuu), ktorá sa zvyčajne udáva v nanometroch pre spektrum viditeľného svetla.

Každý nanometer predstavuje tisícinu mikrometra a meria sa vzdialenosťou medzi dvoma po sebe nasledujúcimi vrcholmi (píkami).

Zodpovedajúca frekvencia emisie vlny je počtom sínusových kmitov a je nepriamo úmerná vlnovej dĺžke.

Frekvencia sa zvyčajne meria v Hertzoch. Väčšie vlnové dĺžky teda zodpovedajú nižšej frekvencii žiarenia a kratšie vyššej frekvencii žiarenia.

Hlavné vlastnosti vĺn:

• lom;
• odraz;
• absorpcia;
• rušenie.

Rýchlosť elektromagnetických vĺn

Skutočná rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny závisí od materiálu, ktorý má médium, jeho optickej hustoty a prítomnosti takého faktora, akým je tlak.

Rôzne materiály majú navyše rôznu hustotu „zbalenia“ atómov, čím sú bližšie, tým je vzdialenosť kratšia a rýchlosť je vyššia. Výsledkom je, že rýchlosť elektromagnetickej vlny závisí od materiálu, ktorým prechádza.

Podobné experimenty sa vykonávajú v hadrónovom urýchľovači, kde je hlavným nástrojom účinku nabitá častica. Štúdium elektromagnetických javov tam prebieha na kvantovej úrovni, kedy sa svetlo rozkladá na drobné častice – fotóny. Ale kvantová fyzika je samostatná téma.

Podľa teórie relativity nemôže najvyššia rýchlosť šírenia vĺn prekročiť rýchlosť svetla. Konečnosť rýchlostného limitu vo svojich spisoch opísal Maxwell a vysvetlil to prítomnosťou nového poľa - éteru. Moderná oficiálna veda takýto vzťah ešte neskúmala.

Elektromagnetické žiarenie a jeho druhy

Elektromagnetické žiarenie pozostáva z elektromagnetických vĺn, ktoré sú pozorované vo forme kmitov elektrických a magnetických polí, šíriacich sa rýchlosťou svetla (300 km za sekundu vo vákuu).

Keď EM žiarenie interaguje s hmotou, jeho správanie sa kvalitatívne mení so zmenou frekvencie. Prečo je to prevedené na:

1. Rádiové vyžarovanie. Na rádiových frekvenciách a mikrovlnných frekvenciách elektromagnetické žiarenie interaguje s hmotou hlavne vo forme spoločnej sady nábojov, ktoré sú rozložené na veľkom počte zasiahnutých atómov.
2. Infra červená radiácia. Na rozdiel od nízkofrekvenčného rádiového vyžarovania a mikrovlnného žiarenia infračervený žiarič zvyčajne interaguje s dipólmi prítomnými v jednotlivých molekulách, ktoré sa menia na koncoch chemickej väzby na atómovej úrovni, keď dochádza k vibráciám.
3. Vyžarovanie viditeľného svetla. Keď sa frekvencia zvyšuje vo viditeľnom rozsahu, fotóny majú dostatok energie na to, aby zmenili viazanú štruktúru niektorých jednotlivých molekúl.
4. Ultrafialové žiarenie. Frekvencia sa zvyšuje. V ultrafialových fotónoch je teraz dostatok energie (viac ako tri volty), aby pôsobila dvojnásobne na väzby molekúl a neustále ich chemicky preskupovala.
5. Ionizujúce žiarenie. Pri najvyšších frekvenciách a najnižšej vlnovej dĺžke. Absorpcia týchto lúčov hmotou ovplyvňuje celé gama spektrum. Najznámejším účinkom je žiarenie.

Čo je zdrojom elektromagnetických vĺn

Svet podľa mladej teórie pôvodu všetkého vznikol impulzom. Vydal kolosálnu energiu, ktorá sa volala veľký tresk. Takto sa objavila prvá em-vlna v histórii vesmíru.

V súčasnosti medzi zdroje vzniku porúch patria:

• EMV vysiela umelý vibrátor;
• výsledok vibrácií atómových skupín alebo častí molekúl;
• ak dôjde k účinku na vonkajší obal látky (na atómovo-molekulárnej úrovni);
• efekt podobný svetlu;
• s jadrovým rozpadom;
• dôsledok spomalenia elektrónov.

Rozsah a aplikácia elektromagnetického žiarenia

Škála žiarenia sa chápe ako veľký vlnový frekvenčný rozsah od 3 · 10 6 ÷ 10 -2 do 10 -9 ÷ 10 -14.

Každá časť elektromagnetického spektra má širokú škálu aplikácií v našom každodennom živote:

1. Malé vlny (mikrovlnky). Tieto elektrické vlny sa používajú ako satelitný signál, pretože dokážu obísť zemskú atmosféru. Na vykurovanie a varenie v kuchyni sa používa aj mierne vystužená verzia - ide o mikrovlnnú rúru. Princíp varenia je jednoduchý – pôsobením mikrovlnného žiarenia sa molekuly vody pohlcujú a urýchľujú, čím dochádza k zohrievaniu riadu.
2. Dlhé rušenie sa používa v rádiovej technike (rádiové vlny). Ich frekvencia nedovoľuje prechod mrakov a atmosféry, vďaka ktorej máme k dispozícii FM rádio a televíziu.
3. Infračervené rušenie priamo súvisí s teplom. Je takmer nemožné ho vidieť. Skúste si bez špeciálneho vybavenia všimnúť lúč z diaľkového ovládača vášho televízora, stereo systému alebo rádia v aute. Zariadenia schopné čítať takéto vlny sa používajú v armádach krajín (prístroj nočného videnia). Aj v indukčných sporákoch v kuchyniach.
4. Ultrafialové svetlo má tiež čo do činenia s teplom. Najvýkonnejším prirodzeným „generátorom“ takéhoto žiarenia je slnko. Opálenie vzniká pôsobením ultrafialového žiarenia na ľudskú pokožku. V medicíne sa tento typ vĺn používa na dezinfekciu nástrojov, zabíjanie mikróbov a.
5. Gama lúče sú najsilnejším typom žiarenia, v ktorom sa sústreďuje vysokofrekvenčné, krátkovlnné rušenie. Energia obsiahnutá v tejto časti elektromagnetického spektra dáva lúčom veľkú prenikavú silu. Použiteľné v jadrovej fyzike - mierové, jadrové zbrane - vojenské použitie.

Vplyv elektromagnetických vĺn na ľudské zdravie

Meranie vplyvu EMV na ľudí je zodpovednosťou vedcov. Na posúdenie intenzity ionizujúceho žiarenia však nemusíte byť odborníkom - vyvoláva zmeny na úrovni ľudskej DNA, čo má za následok také vážne ochorenia, ako je onkológia.

Nie nadarmo sa škodlivý vplyv černobyľskej katastrofy považuje za jeden z najnebezpečnejších pre prírodu. Niekoľko štvorcových kilometrov kedysi krásneho územia sa stalo zónou úplného vylúčenia. Až do konca storočia predstavuje výbuch v jadrovej elektrárni v Černobyle nebezpečenstvo, kým sa neskončí polčas rozpadu rádionuklidov.

Niektoré typy emv (rádiové, infračervené, ultrafialové) nespôsobujú človeku veľa škody a predstavujú len nepohodlie. Magnetické pole zeme totiž prakticky necítime, no EMV z mobilu môže spôsobiť bolesť hlavy (účinok na nervový systém).

Aby ste ochránili svoje zdravie pred elektromagnetizmom, mali by ste jednoducho použiť primerané preventívne opatrenia. Namiesto stoviek hodín hrania počítačových hier choďte von na prechádzku.

Mnohé vzory vlnových procesov sú univerzálnej povahy a sú rovnako platné pre vlny rôznej povahy: mechanické vlny v elastickom prostredí, vlny na vodnej hladine, v napnutej strune atď. Elektromagnetické vlny, ktoré sú procesom šírenia kmitov elektromagnetického poľa nie sú výnimkou.... Ale na rozdiel od iných typov vĺn, ktorých šírenie prebieha v nejakom hmotnom prostredí, sa elektromagnetické vlny môžu šíriť prázdnotou: na šírenie elektrických a magnetických polí nie je potrebné žiadne hmotné médium. Elektromagnetické vlny však môžu existovať nielen vo vákuu, ale aj v hmote.

Predpovedanie elektromagnetických vĺn. Existenciu elektromagnetických vĺn teoreticky predpovedal Maxwell ako výsledok analýzy systému rovníc, ktoré navrhol, 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.

Otvorte vibrátor. Aby sme pochopili, ako je možné 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 vymeníte aj indukčnú cievku za kus drôtu, potom 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, teraz zaberá veľkú plochu priestoru, ktorý pokrýva tento drôt.

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

oscilácie sa stáva porovnateľným s dobou šírenia elektromagnetického poľa pozdĺž celého obrysu. 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 kus rovného 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 obklopuje, 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. Rozloženie sily prúdu pozdĺž otvoreného vibrátora v momente, keď je maximum (a), a rozloženie 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 indukčnosť aj 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 oscilácie sú kvázistacionárne, elektrické pole je úplne sústredené vo vnútri kondenzátora a magnetické je vo vnútri cievky. Kvôli tomuto priestorovému oddeleniu elektrických a magnetických polí navzájom priamo nesúvisia: ich vzájomná transformácia je spôsobená iba prenosom prúdu - 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. Výsledkom je, že existencia takého „samosprávneho“ a šíriaceho sa v poliach voľného priestoru vo veľkej vzdialenosti od vibrátora je možná. Sú to 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 potenciálový rozdiel dosiahol určitú hraničnú hodnotu, došlo vo vzduchovej medzere k poruche (preskočila iskra) a elektrické náboje cez ionizovaný vzduch mohli prúdiť z jednej polovice vibrátora do druhej. V otvorenom okruhu vznikali elektromagnetické oscilácie. Aby rýchlo striedavé prúdy existovali iba vo vibrátore a neboli uzavreté cez zdroj energie, boli medzi vibrátorom a zdrojom zapnuté tlmivky (pozri obr. 178a).

Ryža. 178. Hertzov 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 prichádzajúceho z vysielača vlny vykonávajú elektróny v prijímacom vibrátore vynútené oscilácie, t.j. vo vibrátore sa vybudí rýchlo striedavý prúd. Ak sú rozmery prijímacieho vibrátora rovnaké ako rozmery vysielacieho vibrátora, potom sa frekvencie prirodzených elektromagnetických kmitov v nich zhodujú a vynútené vibrácie v prijímacom vibrátore dosahujú znateľné hodnoty v dôsledku rezonancie. Hertz detekoval tieto oscilácie prekĺznutím 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 študovať ich vlastnosti – absorpciu a lom v rôznych prostrediach, odraz od kovových povrchov a pod. aby sa rovnalo 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. Tým sa elektromagnetické vlnenie líši od statických elektrických a magnetických polí, ktoré okrem zdroja neexistujú.

Mechanizmus emisie 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 stacionárneho bodového náboja

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

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

potom zmena elektrického poľa spôsobená pohybom náboja nemohla dosiahnuť body ležiace mimo polomeru gule: mimo tejto gule 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 a náboj, ktorý sa pomaly pohybuje 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 rovné, ak r »m.

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

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

Ak chcete nájsť pole žiarenia, zvážte jednu z čiar intenzity, ktorá zviera určitý uhol so smerom pohybu náboja (obr. 182). Vektor intenzity elektrického poľa pri zlome E rozložme 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. Pretože 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 pomerom je zrýchlenie a, s ktorým sa náboj pohyboval v časovom intervale z 0 na 0, prepíšeme tento výraz do tvaru

V prvom rade si dajme pozor na to, že sila elektrického poľa vlny klesá nepriamo úmerne so vzdialenosťou od stredu, na rozdiel od sily elektrostatického poľa, ktoré je úmerné tejto závislosti od vzdialenosti. a dalo by sa očakávať, ak vezmeme do úvahy zákon zachovania energie. Keďže sa pri šírení vlny vo vákuu neabsorbuje žiadna energia, množstvo energie prejdenej guľou ľubovoľného polomeru je rovnaké. Pretože plocha povrchu gule je úmerná druhej mocnine jej polomeru, energetický tok cez jednotku jej povrchu musí byť nepriamo úmerný druhej mocnine polomeru. Ak vezmeme do úvahy, že hustota energie elektrického poľa vlny je rovnaká, dospejeme k záveru, že

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. Lean, bude neustále vyžarovať elektromagnetické vlny. Intenzita elektrického poľa vlny v bode umiestnenom vo vzdialenosti od začiatku je stále určená vzorcom (4) a pole v danom čase závisí od zrýchlenia náboja a v skoršom čase.

Nech je pohyb náboja harmonická vibrácia blízko začiatku súradníc s určitou amplitúdou A a frekvenciou ω:

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 vibrácia s frekvenciou, t.j. oscilujúci náboj vyžaruje monochromatickú vlnu. Samozrejme, vzorec (8) platí na veľké vzdialenosti v porovnaní s amplitúdou kmitov náboja A.

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

Hustota energie je úmerná štvorcu amplitúdy oscilácií náboja a štvrtej mocniny frekvencie.

Akékoľvek kmitanie je spojené s periodickými prechodmi energie z jedného typu na druhý a naopak. Napríklad vibrácie 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 hustoty kinetických a potenciálnych energií v každom bode vykonávajú harmonické oscilácie s dvojnásobnou frekvenciou, takže ich hodnoty sa kedykoľvek zhodujú. Podobne v postupujúcej monochromatickej elektromagnetickej vlne: hustoty energie elektrických a magnetických polí, ktoré vykonávajú harmonické oscilácie s frekvenciou, sú v každom bode v každom okamihu rovnaké.

Hustota energie magnetického poľa je vyjadrená prostredníctvom indukcie B takto:

Prirovnaním 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 sila 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. Pretože stredná hodnota je 1/2, dostaneme

Ryža. 183. Uhlové rozloženie energie „vyžarovanej oscilujúcim nábojom

Hustota toku energie vo vlne závisí od smeru: v smere, v ktorom náboj kmitá, sa energia nevyžaruje vôbec. Najväčšie množstvo energie sa vyžaruje v rovine kolmej na tento smer. Uhlové rozloženie energie emitovaný oscilujúcim nábojom je znázornený na obr. 183. Náboj kmitá pozdĺž osi Z počiatku súradníc sa vykresľujú segmenty, ktorých dĺžka je úmerná

smer energie, to znamená, že 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 vibrácií sa nazýva monochromatická. Monochromatické vlnenie je charakterizované určitou frekvenciou c a vlnovou dĺžkou X. Vlnová dĺžka a frekvencia sú spojené prostredníctvom rýchlosti šírenia vlny s:

Elektromagnetická vlna vo vákuu je priečna: vektor elektromagnetického poľa vlny, ako je možné vidieť z vyššie uvedenej úvahy, je kolmý na smer šírenia vlny. Nakreslite pozorovací bod P na obr. 184 guľa so stredom v počiatku, okolo ktorej pozdĺž osi kmitá vyžarujúci náboj. Nakreslíme 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. Po vyžarovaní vlny tieto polia 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. Keďže pri postupujúcej vlne k zmene elektrického a magnetického poľa dochádza vo vzájomnej fáze, okamžitý „portrét“ vlny (vektory E a B v rôznych bodoch čiary pozdĺž smeru šírenia) má tvar znázornený na obr. Obr. 185. Takáto vlna sa nazýva lineárne polarizovaná. Náboj vykonávajúci harmonickú vibráciu vyžaruje lineárne polarizované vlny vo všetkých smeroch. V lineárne polarizovanej vlne pohybujúcej sa v ľubovoľnom smere je vektor E vždy v rovnakej rovine.

Pretože v lineárnom elektromagnetickom vibrátore náboje vykonávajú práve takýto oscilačný pohyb, elektromagnetická vlna vyžarovaná vibrátorom je lineárne polarizovaná. To možno ľahko overiť experimentálne zmenou orientácie prijímacieho vibrátora vzhľadom na vysielací.

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

Signál má najväčšiu hodnotu, keď je prijímací vibrátor rovnobežný s vysielacím (pozri obr. 178). Ak sa prijímací vibrátor otočí kolmo na vysielací, signál zmizne. Elektrické vibrácie v prijímacom vibrátore sa môžu objaviť iba v dôsledku zložky elektrického poľa vlny smerujúcej pozdĺž vibrátora. Preto táto skúsenosť 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 otáča rovnomerne 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, v ktorých sú vektory elektrického poľa navzájom kolmé. V každej z vĺn vykonáva vektor elektrického poľa v každom bode harmonickú osciláciu. Aby sčítanie takýchto vzájomne kolmých kmitov malo za následok rotáciu výsledného vektora, je potrebný fázový posun. Inými slovami, pridané lineárne polarizované vlny musia byť voči sebe posunuté o štvrtinu vlnovej dĺžky.

Vlnový impulz a ľahký tlak. Spolu s energiou má elektromagnetická vlna aj impulz. Ak je vlna absorbovaná, potom sa jej hybnosť prenesie na objekt, ktorý ju pohltí. Z toho vyplýva, že po absorpcii elektromagnetická vlna vyvíja tlak na prekážku. Pôvod vlnového tlaku a veľkosť tohto tlaku možno vysvetliť nasledovne.

Smerované v jednej priamke. Potom sa výkon P absorbovaný nábojom rovná

Budeme predpokladať, že všetku energiu dopadajúcej vlny pohltí prekážka. Keďže vlna prináša energiu na jednotku plochy povrchu prekážky za jednotku času, tlak vyvíjaný vlnou pri normálnom poklese sa rovná hustote energie vlny. Tlaková sila absorbovanej elektromagnetickej vlny pôsobí na prekážku za jednotku času impulz, ktorý sa podľa vzorca (15) rovná absorbovanej energii vydelenej rýchlosťou svetla s ... To znamená, že absorbovaná elektromagnetická vlna mala impulz, ktorý sa rovná energii delenej rýchlosťou svetla.

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

Aký je rozdiel medzi kvázistacionárnymi elektromagnetickými osciláciami v uzavretom oscilačnom obvode a vysokofrekvenčnými osciláciami v otvorenom vibrátore? Uveďte mechanické prirovnanie.

Vysvetlite, prečo sa elektromagnetické vlny počas kvázistacionárnych elektromagnetických kmitov nevyžarujú v uzavretej slučke. Prečo vzniká žiarenie počas elektromagnetických vibrácií v otvorenom vibrátore?

Popíšte a vysvetlite Hertzove experimenty pri generovaní a detekcii elektromagnetických vĺn. Aká je úloha iskriska vo vysielacích a prijímacích vibrátoroch?

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

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

Čo je to monochromatická elektromagnetická vlna? Čo je vlnová dĺžka? Ako to súvisí s frekvenciou? Aká je vlastnosť priečnych elektromagnetických vĺn?

Čo sa nazýva polarizácia elektromagnetickej vlny? Aké typy polarizácie poznáte?

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

Vysvetlite úlohu Lorentzovej sily pri vytváraní sily tlaku elektromagnetickej vlny na prekážku.

), popisujúci 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 predtým nameranou rýchlosťou svetla umožnila Maxwellovi dospieť k záveru, že svetlo je elektromagnetické vlnenie. 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 dokazuje elektromagnetickú povahu svetla.