مقیاس امواج الکترومغناطیسی امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی (جدول آنها در زیر آورده خواهد شد) اختلالات میدان های مغناطیسی و الکتریکی توزیع شده در فضا هستند. انواع مختلفی از آنها وجود دارد. فیزیک این اختلالات را مطالعه می کند. امواج الکترومغناطیسی به دلیل این واقعیت است که یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که به نوبه خود یک میدان الکتریکی ایجاد می کند.

تاریخچه تحقیق

اولین نظریه ها، که می توان آنها را قدیمی ترین نسخه فرضیه ها در مورد امواج الکترومغناطیسی دانست، حداقل به زمان هویگنس باز می گردد. در طی آن دوره، مفروضات به توسعه کمی مشخصی رسیدند. هویگنس در سال 1678 نوعی "طرح" از نظریه - "رساله نور" را منتشر کرد. او در سال 1690 اثر قابل توجه دیگری را منتشر کرد. این تئوری کیفی بازتاب و انکسار را به شکلی که امروزه هنوز در کتاب‌های درسی مدرسه ارائه می‌شود ("امواج الکترومغناطیسی"، کلاس نهم) تشریح کرد.

در همان زمان اصل هویگنس تدوین شد. با کمک آن، مطالعه حرکت جبهه موج ممکن شد. این اصل متعاقباً در آثار فرنل توسعه یافت. اصل هویگنز-فرنل در تئوری پراش و تئوری موج نور اهمیت ویژه ای داشت.

در دهه‌های 1660-1670، هوک و نیوتن کمک‌های تجربی و نظری عمده‌ای به پژوهش کردند. چه کسی امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد؟ چه کسی آزمایش هایی را برای اثبات وجود آنها انجام داد؟ چه نوع امواج الکترومغناطیسی وجود دارد؟ بیشتر در این مورد بعدا.

منطق ماکسول

قبل از صحبت در مورد اینکه چه کسی امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد، باید گفت که اولین دانشمندی که به طور کلی وجود آنها را پیش بینی کرد، فارادی بود. او فرضیه خود را در سال 1832 مطرح کرد. ماکسول متعاقباً بر روی ساخت این نظریه کار کرد. در سال 1865 او این کار را به پایان رساند. در نتیجه، ماکسول به شدت این نظریه را به صورت ریاضی فرموله کرد و وجود پدیده های مورد بررسی را توجیه کرد. او همچنین سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی را تعیین کرد که با مقدار سرعت نور پس از استفاده همزمان بود. این به نوبه خود به او اجازه داد تا این فرضیه را اثبات کند که نور یکی از انواع تشعشعات مورد بررسی است.

تشخیص تجربی

نظریه ماکسول توسط آزمایشات هرتز در سال 1888 تأیید شد. در اینجا باید گفت که فیزیکدان آلمانی با وجود توجیه ریاضی، آزمایشات خود را برای رد این نظریه انجام داد. با این حال، به لطف آزمایشات خود، هرتز اولین کسی بود که عملا امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد. علاوه بر این، دانشمند طی آزمایشات خود، خواص و ویژگی های تابش را شناسایی کرد.

هرتز نوسانات و امواج الکترومغناطیسی را با برانگیختن یک سری پالس با جریانی که به سرعت متغیر است در یک ویبراتور با استفاده از یک منبع ولتاژ بالا به دست آورد. جریان های فرکانس بالا را می توان با استفاده از یک مدار تشخیص داد. هرچه ظرفیت خازنی و اندوکتانس بیشتر باشد فرکانس نوسان بیشتر خواهد بود. اما در عین حال، فرکانس بالا جریان شدید را تضمین نمی کند. هرتز برای انجام آزمایشات خود از دستگاه نسبتاً ساده ای استفاده کرد که امروزه "ارتعاشگر هرتز" نامیده می شود. این دستگاه یک مدار نوسانی نوع باز است.

شماتیک آزمایش هرتز

ثبت تشعشعات با استفاده از ویبراتور گیرنده انجام شد. این دستگاه طراحی مشابه دستگاه انتشار داشت. تحت تأثیر یک موج الکترومغناطیسی یک میدان متناوب الکتریکی، یک نوسان جریان در دستگاه گیرنده برانگیخته شد. اگر در این دستگاه فرکانس طبیعی آن و فرکانس جریان با هم مطابقت داشته باشند، رزونانس ظاهر می شود. در نتیجه، اختلالات در دستگاه گیرنده با دامنه بیشتر رخ داده است. محقق آنها را با مشاهده جرقه های بین هادی ها در یک شکاف کوچک کشف کرد.

بنابراین، هرتز اولین کسی بود که امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد و توانایی آنها را در انعکاس خوب از هادی ها اثبات کرد. او عملاً شکل گیری تشعشعات ایستاده را اثبات کرد. علاوه بر این، هرتز سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در هوا را تعیین کرد.

مطالعه خصوصیات

امواج الکترومغناطیسی تقریباً در همه رسانه ها منتشر می شوند. در فضایی پر از ماده، تابش در برخی موارد می تواند به خوبی توزیع شود. اما در عین حال رفتار خود را تا حدودی تغییر می دهند.

امواج الکترومغناطیسی در خلاء بدون تضعیف تشخیص داده می شوند. آنها در هر فاصله ای، مهم نیست که چقدر زیاد است، توزیع می شوند. ویژگی های اصلی امواج شامل قطبش، فرکانس و طول است. خواص در چارچوب الکترودینامیک توصیف شده است. با این حال، شاخه های خاص تری از فیزیک با ویژگی های تابش در مناطق خاصی از طیف سروکار دارند. به عنوان مثال، این موارد شامل اپتیک است.

مطالعه سخت تابش الکترومغناطیسیانتهای طیفی موج کوتاه توسط بخش پرانرژی اشغال شده است. با در نظر گرفتن ایده های مدرندینامیک دیگر یک رشته مستقل نیست و با یک نظریه ترکیب می شود.

نظریه های مورد استفاده در مطالعه خواص

امروز وجود دارد روش های مختلف، تسهیل مدلسازی و مطالعه مظاهر و خواص ارتعاشات. الکترودینامیک کوانتومی به عنوان اساسی ترین تئوری های آزمایش شده و تکمیل شده در نظر گرفته می شود. از آن، از طریق ساده سازی های خاص، می توان روش های ذکر شده در زیر را که به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، به دست آورد.

توصیف تابش نسبتاً کم فرکانس در یک محیط ماکروسکوپی با استفاده از الکترودینامیک کلاسیک انجام می شود. این بر اساس معادلات ماکسول است. با این حال، در برنامه های کاربردی ساده سازی وجود دارد. مطالعه نوری از اپتیک استفاده می کند. تئوری موج در مواردی استفاده می شود که برخی از قسمت های سیستم نوری از نظر اندازه نزدیک به طول موج هستند. اپتیک کوانتومی زمانی استفاده می شود که فرآیندهای پراکندگی و جذب فوتون ها قابل توجه باشد.

نظریه نوری هندسی یک مورد محدود کننده است که در آن می توان طول موج را نادیده گرفت. چندین بخش کاربردی و بنیادی نیز وجود دارد. برای مثال، اخترفیزیک، زیست شناسی ادراک بصری و فتوسنتز، و فتوشیمی از جمله این موارد است. امواج الکترومغناطیسی چگونه طبقه بندی می شوند؟ جدولی که به وضوح توزیع در گروه ها را نشان می دهد در زیر ارائه شده است.

طبقه بندی

محدوده فرکانسی امواج الکترومغناطیسی وجود دارد. هیچ انتقال شدیدی بین آنها وجود ندارد؛ گاهی اوقات آنها با یکدیگر همپوشانی دارند. مرزهای بین آنها کاملاً دلخواه است. با توجه به اینکه جریان به طور مداوم توزیع می شود، فرکانس به شدت به طول مربوط می شود. در زیر دامنه امواج الکترومغناطیسی آورده شده است.

تشعشعات فوق کوتاه معمولاً به میکرومتر (زیر میلی متر)، میلی متر، سانتی متر، دسی متر، متر تقسیم می شوند. اگر تابش الکترومغناطیسی کمتر از یک متر، سپس معمولاً به آن نوسان فرکانس فوق العاده بالا (مایکروویو) می گویند.

انواع امواج الکترومغناطیسی

در بالا دامنه امواج الکترومغناطیسی وجود دارد. چه نوع جریانی وجود دارد؟ این گروه شامل گاما و اشعه ایکس است. باید گفت که هم نور ماوراء بنفش و هم نور مرئی قادر به یونیزه کردن اتم ها هستند. مرزهایی که در آن شارهای گاما و اشعه ایکس قرار دارند بسیار مشروط تعیین می شوند. به عنوان یک دستورالعمل کلی، محدودیت های 20 eV - 0.1 MeV پذیرفته شده است. شارهای گاما به معنای محدود توسط هسته منتشر می شوند، شارهای پرتو ایکس توسط پوسته اتمی الکترون در فرآیند حذف الکترون ها از مدارهای کم ارتفاع منتشر می شوند. با این حال، این طبقه بندی برای تشعشعات سخت تولید شده بدون مشارکت هسته ها و اتم ها قابل اجرا نیست.

شار پرتو ایکس زمانی تشکیل می‌شود که ذرات سریع باردار (پروتون‌ها، الکترون‌ها و دیگران) کند می‌شوند و در نتیجه فرآیندهایی که در لایه‌های الکترون اتمی رخ می‌دهند. نوسانات گاما در نتیجه فرآیندهای درون هسته اتم ها و در حین تبدیل ذرات بنیادی به وجود می آیند.

جریان های رادیویی

به واسطه واجد اهمیت زیادطول، در نظر گرفتن این امواج را می توان بدون در نظر گرفتن ساختار اتمی محیط انجام داد. به عنوان یک استثنا، تنها کوتاه ترین جریان ها که در مجاورت ناحیه مادون قرمز طیف قرار دارند، عمل می کنند. در محدوده رادیویی، خواص کوانتومی ارتعاشات نسبتاً ضعیف ظاهر می شوند. با این وجود، به عنوان مثال، هنگام تجزیه و تحلیل استانداردهای زمان مولکولی و فرکانس در هنگام خنک کردن تجهیزات تا دمای چندین کلوین، باید آنها را در نظر گرفت.

خواص کوانتومی نیز هنگام توصیف ژنراتورها و تقویت کننده ها در محدوده میلی متر و سانتی متر در نظر گرفته می شود. جریان رادیویی در طول حرکت جریان متناوب از طریق هادی های فرکانس مربوطه تشکیل می شود. و یک موج الکترومغناطیسی عبوری در فضا، موج مربوطه را تحریک می کند. این ملکمورد استفاده در طراحی آنتن در مهندسی رادیو.

رشته های قابل مشاهده

اشعه مرئی فرابنفش و مادون قرمز به میزان به معنای وسیعکلمات، به اصطلاح بخش نوری طیف. انتخاب این منطقه نه تنها با نزدیکی مناطق مربوطه، بلکه با شباهت ابزارهای مورد استفاده در تحقیق و توسعه در درجه اول در طول مطالعه نور مرئی تعیین می شود. اینها، به ویژه، شامل آینه ها و عدسی هایی برای تمرکز تابش، توری های پراش، منشورها و غیره هستند.

فرکانس امواج نوری با فرکانس مولکول ها و اتم ها و طول آنها با فواصل بین مولکولی و اندازه های مولکولی قابل مقایسه است. بنابراین پدیده هایی که ناشی از ساختار اتمی ماده هستند در این حوزه قابل توجه می شوند. به همین دلیل، نور در کنار خواص موجی، دارای خواص کوانتومی نیز می باشد.

ظهور جریان های نوری

بیشترین منبع شناخته شدهخورشید است سطح ستاره (فتوسفر) دمای 6000 درجه کلوین دارد و نور سفید درخشانی از خود ساطع می کند. بالاترین مقدار طیف پیوسته در منطقه "سبز" - 550 نانومتر قرار دارد. در اینجا نیز حداکثر حساسیت بصری قرار دارد. نوسانات در محدوده نوری زمانی رخ می دهد که اجسام گرم می شوند. بنابراین جریان های مادون قرمز را جریان های حرارتی نیز می نامند.

هرچه بدن بیشتر گرم شود، فرکانس بالاتری که حداکثر طیف در آن قرار دارد، بیشتر می شود. با افزایش معینی در دما، تابش (درخشش در محدوده مرئی) مشاهده می شود. در این حالت ابتدا رنگ قرمز و سپس زرد و ... ظاهر می شود. ایجاد و ثبت جریان های نوری می تواند در بیولوژیکی و واکنش های شیمیاییکه یکی از آنها در عکاسی استفاده می شود. برای بیشتر موجوداتی که روی زمین زندگی می کنند، فتوسنتز به عنوان منبع انرژی عمل می کند. این واکنش بیولوژیکی در گیاهان تحت تأثیر تابش نوری خورشید رخ می دهد.

ویژگی های امواج الکترومغناطیسی

ویژگی های محیط و منبع بر ویژگی های جریان تأثیر می گذارد. این امر به ویژه وابستگی زمانی میدان ها را تعیین می کند که نوع جریان را تعیین می کند. به عنوان مثال، هنگامی که فاصله از ویبراتور تغییر می کند (با افزایش آن)، شعاع انحنا بزرگتر می شود. در نتیجه، یک موج الکترومغناطیسی صفحه تشکیل می شود. تعامل با ماده نیز به روش های مختلف رخ می دهد.

فرآیندهای جذب و انتشار شارها، به عنوان یک قاعده، می تواند با استفاده از روابط الکترودینامیک کلاسیک توصیف شود. برای امواج در ناحیه نوری و برای پرتوهای سخت، ماهیت کوانتومی آنها باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد.

منابع جریان

با وجود تفاوت فیزیکی، در همه جا - در یک ماده رادیواکتیو، یک فرستنده تلویزیونی، یک لامپ رشته ای - امواج الکترومغناطیسی توسط بارهای الکتریکی که با شتاب حرکت می کنند، تحریک می شوند. دو نوع اصلی از منابع وجود دارد: میکروسکوپی و ماکروسکوپی. در مرحله اول، انتقال ناگهانی ذرات باردار از یک سطح به سطح دیگر در داخل مولکول ها یا اتم ها وجود دارد.

منابع میکروسکوپی اشعه ایکس، گاما، فرابنفش، مادون قرمز، مرئی و در برخی موارد امواج بلند منتشر می کنند. یک نمونه از دومی خط در طیف هیدروژن است که مربوط به طول موج 21 سانتی متر است.این پدیده در نجوم رادیویی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

منابع ماکروسکوپی ساطع کننده هایی هستند که در آنها الکترون های آزاد رساناها نوسانات همزمان دوره ای را انجام می دهند. در سیستم های این دسته جریان هایی از مقیاس میلی متری تا طولانی ترین (در خطوط برق) تولید می شود.

ساختار و قدرت جریان ها

جریان های شتاب دار و متناوب در حال تغییر با نیروهای خاصی بر یکدیگر تأثیر می گذارند. جهت و بزرگی آنها به عواملی مانند اندازه و پیکربندی منطقه ای که جریان ها و بارها در آن قرار دارند، جهت و بزرگی نسبی آنها بستگی دارد. آنها نیز تأثیر قابل توجهی دارند مشخصات الکتریکیمحیط خاص، و همچنین تغییرات در غلظت بار و توزیع جریان منبع.

به دلیل پیچیدگی کلی بیان مسئله، ارائه قانون نیروها در قالب یک فرمول واحد غیرممکن است. ساختاری که میدان الکترومغناطیسی نامیده می شود و در صورت لزوم به عنوان یک جسم ریاضی در نظر گرفته می شود، با توزیع بارها و جریان ها تعیین می شود. به نوبه خود، توسط یک منبع معین با در نظر گرفتن شرایط مرزی ایجاد می شود. شرایط توسط شکل منطقه تعامل و ویژگی های مواد تعیین می شود. اگر صحبت از فضای نامحدود است، این شرایط تکمیل می شود. به عنوان خاص شرط اضافیدر چنین مواردی شرایط تشعشع ظاهر می شود. با توجه به آن، "صحت" رفتار میدان در بی نهایت تضمین می شود.

گاهشماری مطالعه

لومونوسوف در برخی از مفاد خود، فرضیه های فردی نظریه الکتریکی را پیش بینی می کند میدان مغناطیسی: حرکت چرخشی (چرخشی) ذرات، نظریه موجی نور، اشتراک آن با ماهیت الکتریسیته و غیره. جریان های فروسرخ در سال 1800 توسط هرشل (دانشمند انگلیسی) کشف شد و در سال بعد. ، 1801، ریتر اشعه ماوراء بنفش را توصیف کرد. تابش با برد کمتر از فرابنفش توسط رونتگن در سال 1895 در 8 نوامبر کشف شد. متعاقباً نام اشعه ایکس را دریافت کرد.

تأثیر امواج الکترومغناطیسی توسط بسیاری از دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، اولین کسی که احتمالات جریان ها و دامنه کاربرد آنها را بررسی کرد، نارکویچ-ایدکو (دانشمند بلاروسی) بود. وی خواص جریان ها را در رابطه با طب عملی مطالعه کرد. تابش گاما توسط پل ویلارد در سال 1900 کشف شد. در همان دوره، پلانک اجرا کرد تحقیق نظریخواص جسم سیاه در فرآیند مطالعه، او ماهیت کوانتومی این فرآیند را کشف کرد. کار او آغاز توسعه بود و متعاقباً چندین اثر از پلانک و انیشتین منتشر شد. تحقیقات آنها منجر به شکل گیری مفهومی مانند فوتون شد. این به نوبه خود، پایه و اساس ایجاد نظریه کوانتومی شارهای الکترومغناطیسی را ایجاد کرد. توسعه آن در آثار شخصیت های علمی برجسته قرن بیستم ادامه یافت.

تحقیقات بیشتر و کار بر روی نظریه کوانتومی تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش آن با ماده در نهایت منجر به تشکیل الکترودینامیک کوانتومی به شکلی شد که امروزه وجود دارد. از جمله دانشمندان برجسته ای که مطالعه کردند این مساله، باید علاوه بر اینشتین و پلانک، بور، بوز، دیراک، دی بروگلی، هایزنبرگ، توموناگو، شوینگر، فاینمن نام برد.

نتیجه

اهمیت فیزیک در دنیای مدرنبه اندازه کافی بزرگ. تقریباً هر چیزی که امروزه در زندگی بشر استفاده می شود به لطف آن ظاهر شد استفاده عملیتحقیقات دانشمندان بزرگ کشف امواج الکترومغناطیسی و مطالعه آنها به ویژه منجر به ایجاد فرستنده های رادیویی معمولی و متعاقباً تلفن های همراه شد. معنی خاص استفاده عملیدارای چنین دانش نظری در زمینه پزشکی، صنعت و فناوری است.

این استفاده گستردهبا ماهیت کمی علم توضیح داده شده است. تمام آزمایش های فیزیکی بر اساس اندازه گیری ها، مقایسه ویژگی های پدیده های مورد مطالعه با استانداردهای موجود است. برای این منظور است که مجموعه ای در این رشته ایجاد شده است ابزار اندازه گیریو واحدها تعدادی از الگوها در تمام سیستم های مواد موجود مشترک است. به عنوان مثال، قوانین بقای انرژی، قوانین فیزیکی عمومی در نظر گرفته می شوند.

علم به عنوان یک کل در بسیاری از موارد بنیادی نامیده می شود. این اول از همه به این دلیل است که سایر رشته ها توضیحاتی را ارائه می دهند که به نوبه خود از قوانین فیزیک پیروی می کنند. بنابراین، در شیمی، اتم ها، مواد تشکیل شده از آنها و تبدیل ها مورد مطالعه قرار می گیرند. ولی خواص شیمیاییاجساد مشخص می شوند خصوصیات فیزیکیمولکول ها و اتم ها این ویژگی ها شاخه هایی از فیزیک مانند الکترومغناطیس، ترمودینامیک و غیره را توصیف می کنند.

تابش امواج الکترومغناطیسی، با تغییر در فرکانس نوسانات بار، طول موج را تغییر می دهد و به دست می آورد. خواص مختلف. یک فرد به معنای واقعی کلمه توسط دستگاه هایی احاطه شده است که امواج الکترومغناطیسی ساطع و دریافت می کنند. این تلفن های همراه، پخش رادیو، تلویزیون، دستگاه های اشعه ایکس در موسسات پزشکی و غیره. حتی بدن انسان دارای میدان الکترومغناطیسی است و جالب اینکه هر عضوی فرکانس تابش خاص خود را دارد. انتشار ذرات باردار ساطع شده بر یکدیگر تأثیر می گذارد و باعث ایجاد تغییر در فرکانس ارتعاش و تولید انرژی می شود که می تواند برای اهداف خلاقانه و مخرب مورد استفاده قرار گیرد.

تابش الکترومغناطیسی. اطلاعات کلی

تابش الکترومغناطیسی تغییر در حالت و شدت انتشار نوسانات الکترومغناطیسی است که در اثر برهمکنش میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می شود.

یک مطالعه عمیق از خواص مشخصه تابش الکترومغناطیسی توسط:

• الکترودینامیک؛
• اپتیک؛
• رادیوفیزیک

انتشار امواج الکترومغناطیسی توسط نوسان بارها ایجاد و منتشر می شود که در این فرآیند انرژی آزاد می شود. آنها الگوی انتشار مشابه امواج مکانیکی دارند. حرکت بارها با شتاب مشخص می شود - سرعت آنها در طول زمان تغییر می کند که یک شرط اساسی برای انتشار امواج الکترومغناطیسی است. قدرت موج با نیروی شتاب رابطه مستقیم دارد و با آن نسبت مستقیم دارد.

شاخص هایی که تعیین می کنند مشخصاتتابش الکترومغناطیسی:

• فرکانس ارتعاش ذرات باردار؛
• طول موج شار ساطع شده؛
• قطبی شدن

میدان الکتریکی که نزدیکترین میدان به بار در معرض ارتعاش است، دستخوش تغییرات می شود. مدت زمان صرف شده برای این تغییرات برابر با دوره زمانی نوسانات بار خواهد بود. حرکت یک بار را می توان با نوسانات جسم معلق روی فنر مقایسه کرد، تنها تفاوت در فرکانس حرکت است.

مفهوم «تابش» به میدان‌های الکترومغناطیسی اطلاق می‌شود که تا آنجا که ممکن است از منبع مبدا هجوم می‌آورند و با افزایش فاصله شدت خود را از دست می‌دهند و موجی را تشکیل می‌دهند.

انتشار امواج الکترومغناطیسی

آثار ماکسول و قوانین الکترومغناطیس که او کشف کرد، استخراج اطلاعات بسیار بیشتر از حقایقی که تحقیقات بر اساس آنها می تواند ارائه دهد، ممکن می سازد. به عنوان مثال، یکی از نتایج بر اساس قوانین الکترومغناطیس این است که برهمکنش الکترومغناطیسی سرعت انتشار محدودی دارد.

اگر تئوری عمل دوربرد را دنبال کنیم، متوجه می‌شویم که نیرویی که بر بار الکتریکی که در حالت ساکن است تأثیر می‌گذارد، زمانی که مکان بار همسایه تغییر می‌کند، عملکرد خود را تغییر می‌دهد. بر اساس این نظریه، بار به معنای واقعی کلمه از خلاء وجود نوع خود را "احساس" می کند و فوراً عمل را در دست می گیرد.

مفاهیم شکل‌گرفته از کنش کوتاه برد، دیدگاهی کاملاً متفاوت از آنچه در حال وقوع است دارند. بار هنگام حرکت دارای یک میدان الکتریکی متناوب است که به نوبه خود به ظهور یک میدان مغناطیسی متناوب در فضای مجاور کمک می کند. پس از آن، میدان مغناطیسی متناوب باعث ایجاد یک میدان الکتریکی و غیره در زنجیره می شود.

این است که چگونه "خشم" رخ می دهد میدان الکترومغناطیسی، ناشی از تغییر محل بارگیری در فضا است. گسترش می یابد و در نتیجه تأثیر می گذارد زمینه موجود، تغییر آن پس از رسیدن به بار همسایه، "آشفتگی" تغییراتی در شاخص های نیروی وارد بر آن ایجاد می کند. این اتفاق مدتی پس از جابجایی اولین شارژ رخ می دهد.

ماکسول مشتاقانه به اصل انتشار امواج الکترومغناطیسی علاقه مند بود. زمان و تلاش صرف شده در نهایت با موفقیت همراه شد. او وجود سرعت متناهی این فرآیند را ثابت کرد و یک توجیه ریاضی برای آن ارائه کرد.

واقعیت وجود میدان الکترومغناطیسی با وجود سرعت محدود "آشفتگی" تأیید می شود و مطابق با سرعت نور در فضای خالی از اتم (خلاء) است.

مقیاس تابش الکترومغناطیسی

جهان پر از میدان های الکترومغناطیسی با دامنه های تابش متفاوت و طول موج های کاملاً متفاوت است که می تواند از چند ده کیلومتر تا کسری ناچیز از یک سانتی متر متغیر باشد. آنها به دست آوردن اطلاعات در مورد اجسام واقع در فواصل بسیار زیاد از زمین را ممکن می سازند.

بر اساس اظهارات جیمز ماکسول در مورد تفاوت در طول امواج الکترومغناطیسی، مقیاس ویژه ای ایجاد شد که شامل طبقه بندی محدوده فرکانس های موجود و طول تابش است که یک میدان مغناطیسی متناوب را در فضا تشکیل می دهد.

G. Hertz و P. N. Lebedev در کار خود صحت اظهارات ماکسول را به طور تجربی اثبات کردند و این واقعیت را ثابت کردند که تابش نور امواجی از یک میدان الکترومغناطیسی است که با طول کوتاه مشخص می شود که توسط ارتعاش طبیعی اتم ها و مولکول ها تشکیل می شود.

هیچ انتقال شدیدی بین محدوده ها وجود ندارد، اما آنها همچنین مرزهای واضحی ندارند. فرکانس تابش هرچه باشد، تمام نقاط مقیاس امواج الکترومغناطیسی را توصیف می کنند که به دلیل تغییر در موقعیت ذرات باردار ظاهر می شوند. خواص بارها تحت تأثیر طول موج است. هنگامی که شاخص های آن تغییر می کند، توانایی های بازتابی، نافذ، سطح دید و غیره تغییر می کند.

ویژگی های مشخصه امواج الکترومغناطیسی به آنها این فرصت را می دهد که آزادانه هم در خلاء و هم در فضای پر از ماده منتشر شوند. لازم به ذکر است که با حرکت در فضا، تابش رفتار خود را تغییر می دهد. در پوچی، سرعت انتشار تابش تغییر نمی کند، زیرا فرکانس نوسانات به شدت با طول موج مرتبط است.

امواج الکترومغناطیسی با دامنه های مختلف و خواص آنها

امواج الکترومغناطیسی عبارتند از:

• امواج با فرکانس پایین با فرکانس نوسان بیش از 100 کیلوهرتز مشخص می شود. این محدوده برای کار با دستگاه ها و موتورهای الکتریکی، به عنوان مثال، میکروفون یا بلندگو، شبکه های تلفن، و همچنین در زمینه پخش رادیویی، صنعت فیلم و غیره استفاده می شود. امواج فرکانس پایین با امواج فرکانس نوسان بالاتر متفاوت است. ، کاهش واقعی سرعت انتشار متناسب است ریشه دومفرکانس های آنها لاج و تسلا سهم قابل توجهی در کشف و مطالعه امواج با فرکانس پایین داشتند.
• امواج رادیویی. کشف امواج رادیویی توسط هرتز در سال 1886 به جهان این توانایی را داد که اطلاعات را بدون استفاده از سیم منتقل کند. طول یک موج رادیویی بر ماهیت انتشار آن تأثیر می گذارد. آنها، مانند فرکانس های امواج صوتی، به دلیل جریان متناوب ایجاد می شوند (در فرآیند ارتباطات رادیویی، جریان متناوب به گیرنده - آنتن جریان می یابد). امواج رادیویی با فرکانس بالا به انتشار قابل توجه امواج رادیویی به فضای اطراف کمک می کند، که فرصتی منحصر به فرد برای انتقال اطلاعات در فواصل طولانی (رادیو، تلویزیون) فراهم می کند. این نوع تابش مایکروویو برای ارتباطات در فضا و همچنین در زندگی روزمره استفاده می شود. به عنوان مثال، مایکروویو که امواج رادیویی را ساطع می کند، دستیار خوبی برای خانم های خانه دار شده است.
• تابش مادون قرمز (همچنین "حرارتی" نامیده می شود). بر اساس طبقه بندی مقیاس تابش الکترومغناطیسی، ناحیه انتشار تابش مادون قرمز بعد از امواج رادیویی و قبل از نور مرئی قرار دارد. امواج مادون قرمز از تمام اجسامی که گرما ساطع می کنند ساطع می شوند. نمونه‌هایی از منابع این تشعشعات عبارتند از اجاق‌ها، باتری‌های مورد استفاده برای گرمایش بر اساس انتقال حرارت از آب و لامپ‌های رشته‌ای. تا به امروز، توسعه یافته است دستگاه های خاص، که به شما امکان می دهد اجسامی را که گرما از آنها خارج می شود در تاریکی کامل مشاهده کنید. مارها دارای چنین حسگرهای طبیعی تشخیص حرارت در ناحیه چشم هستند. این به آنها اجازه می دهد تا شکار را دنبال کنند و در شب شکار کنند. مرد اعمال می کند اشعه مادون قرمزبه عنوان مثال، برای گرم کردن ساختمان ها، برای خشک کردن سبزیجات و چوب، در زمینه امور نظامی (به عنوان مثال، دستگاه های دید در شب یا تصاویر حرارتی)، برای کنترل بی سیممرکز صوتی یا تلویزیون و سایر دستگاه هایی که از کنترل از راه دور استفاده می کنند.
• نور مرئی. دارای طیف نوری از قرمز تا بنفش است و توسط چشم انسان درک می شود که اصلی ترین آن است. ویژگی متمایز. رنگ ساطع شده طول های مختلفامواج، اثر الکتروشیمیایی بر سیستم ادراک بصری انسان دارد، اما در بخش خواص امواج الکترومغناطیسی در این محدوده قرار نمی گیرد.
• اشعه ماوراء بنفش. با چشم انسان تشخیص داده نمی شود و طول موج آن کوتاه تر از نور بنفش است. در دوزهای کم، اشعه ماوراء بنفش باعث می شود اثر شفابخش، باعث تولید ویتامین D می شود، اثر باکتری کشی دارد و بر روی مرکزی اثر مثبت می گذارد سیستم عصبی. اشباع بیش از حد محیط پرتو های فرابنفشباعث آسیب می شود پوستو آسیب به شبکیه چشم، به همین دلیل است که چشم پزشکان استفاده از عینک آفتابی را در ماه های تابستان توصیه می کنند. اشعه ماوراء بنفش در پزشکی (اشعه ماوراء بنفش برای لامپ های کوارتز استفاده می شود)، برای تأیید صحت اسکناس ها، برای اهداف سرگرمی در دیسکوها (چنین نورپردازی باعث درخشش مواد رنگ روشن) و همچنین برای تعیین مناسب بودن محصولات غذایی می شود.
• تابش اشعه ایکس. چنین امواجی برای چشم انسان نامرئی است. آنها دارای خاصیت شگفت انگیزی هستند که از طریق لایه های ماده نفوذ می کنند و از جذب قوی جلوگیری می کنند که برای پرتوهای نور مرئی غیرقابل دسترسی است. تابش باعث درخشش انواع خاصی از کریستال ها می شود و بر فیلم عکاسی تأثیر می گذارد. در زمینه پزشکی برای تشخیص بیماری های اندام های داخلی و برای درمان لیست خاصی از بیماری ها، برای بررسی ساختار داخلی محصولات برای نقص، و همچنین استفاده می شود. جوش می دهددر تکنولوژی
• تابش گاما کوتاه ترین طول موج تابش الکترومغناطیسی که از هسته یک اتم ساطع می شود. کاهش طول موج منجر به تغییرات می شود شاخص های کیفیت. قدرت نفوذ اشعه گاما چندین برابر بیشتر از اشعه ایکس است. می تواند عبور کند دیوار بتنیضخامت یک متر و حتی از طریق موانع سربی به ضخامت چندین سانتی متر. در حین تجزیه یا یکپارچه شدن مواد، رهاسازی رخ می دهد عناصر تشکیل دهندهاتم که به آن تابش می گویند. چنین امواجی به عنوان تشعشعات رادیواکتیو طبقه بندی می شوند. هنگامی که یک کلاهک هسته ای منفجر می شود، یک میدان الکترومغناطیسی برای مدت کوتاهی ایجاد می شود که محصول واکنش بین پرتوهای گاما و نوترون ها است. همچنین به عنوان عنصر اصلی سلاح‌های هسته‌ای عمل می‌کند که اثر مخربی دارد، به طور کامل عملکرد الکترونیک رادیویی، ارتباطات سیمی و سیستم‌هایی که منبع تغذیه را تامین می‌کنند، مسدود یا مختل می‌کند. همچنین وقتی یک سلاح هسته ای منفجر می شود، انرژی زیادی آزاد می شود.

نتیجه گیری

امواج یک میدان الکترومغناطیسی که دارای طول مشخصی هستند و در محدوده مشخصی از نوسانات قرار دارند، می توانند هر دو را داشته باشند. تاثیر مثبتبر روی بدن انسان و سطح سازگاری آن با محیط، به لطف توسعه کمکی لوازم الکتریکیو نیز اثرات منفی و حتی مخرب بر سلامت انسان و محیط زیست.

منطقه ای ولادیمیر
صنعتی - تجاری
لیسیوم

خلاصه

امواج الکترومغناطیسی

تکمیل شد:
دانش آموز 11 کلاس "ب".
لووف میخائیل
بررسی شد:

ولادیمیر 2001

1. مقدمه………………………………………………………………………………………………………

2. مفهوم موج و خصوصیات آن ……………………………… 4

3. امواج الکترومغناطیسی……………………………………………

4. اثبات تجربی وجود
امواج الکترومغناطیسی……………………………………………………

5. چگالی شار تابش الکترومغناطیسی……………. 7

6. اختراع رادیو……………………………………………………………….…

7. خواص امواج الکترومغناطیسی……………………………10

8. مدولاسیون و تشخیص…………………………………………………………………………………………………………

9. انواع امواج رادیویی و توزیع آنها……………………………………………………………

معرفی

فرآیندهای موجی در طبیعت بسیار گسترده هستند. دو نوع امواج در طبیعت وجود دارد: مکانیکی و الکترومغناطیسی. امواج مکانیکی در ماده منتشر می شوند: گاز، مایع یا جامد. امواج الکترومغناطیسی برای انتشار به هیچ ماده ای نیاز ندارند که شامل امواج رادیویی و نور می شود. میدان الکترومغناطیسی می تواند در خلاء، یعنی در فضایی که اتم ندارد، وجود داشته باشد. علیرغم تفاوت قابل توجه امواج الکترومغناطیسی و امواج مکانیکی، امواج الکترومغناطیسی در طول انتشار خود مشابه امواج مکانیکی رفتار می کنند. اما مانند نوسانات، همه انواع امواج از نظر کمی با قوانین یکسان یا تقریباً یکسان توصیف می شوند. در کار خود سعی خواهم کرد دلایل وقوع امواج الکترومغناطیسی، خواص و کاربرد آنها در زندگی ما را در نظر بگیرم.

مفهوم موج و ویژگی های آن

موجارتعاشاتی نامیده می شوند که در طول زمان در فضا منتشر می شوند.

مهمترین ویژگی یک موج سرعت آن است. امواج با هر ماهیتی فوراً در فضا منتشر نمی شوند. سرعت آنها محدود است.

هنگامی که یک موج مکانیکی منتشر می شود، حرکت از یک قسمت بدن به قسمت دیگر منتقل می شود. با انتقال حرکت، انتقال انرژی مرتبط است. خاصیت اصلی همه امواج، صرف نظر از ماهیت آنها، انتقال آنرژی بدون انتقال ماده است. انرژی از منبعی می آید که ارتعاشات ابتدای بند ناف، ریسمان و غیره را تحریک می کند و همراه با موج پخش می شود. از طریق هر سطح مقطعانرژی به طور مداوم در جریان است. این انرژی متشکل از انرژی جنبشی حرکت بخش‌هایی از بند ناف و انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک آن است. کاهش تدریجی دامنه نوسانات در طول انتشار موج با تغییر شکل بخشی همراه است. انرژی مکانیکیبه درونی

اگر انتهای یک طناب لاستیکی کشیده را به طور هماهنگ با فرکانس مشخص v به ارتعاش درآورید، آنگاه این ارتعاشات شروع به انتشار در طول طناب خواهند کرد. لرزش هر بخش از بند ناف با همان فرکانس و دامنه ارتعاشات انتهای بند ناف رخ می دهد. اما فقط این نوسانات در فاز نسبت به یکدیگر جابجا می شوند. چنین امواجی نامیده می شود تک رنگ .

اگر تغییر فاز بین نوسانات دو نقطه سیم برابر با 2n باشد، این نقاط دقیقاً یکسان هستند: بالاخره cos(2lvt+2l) = =сos2п vt . چنین نوساناتی نامیده می شود در فاز(در همان مراحل رخ می دهد).

فاصله بین نقاط نزدیک به یکدیگر که در همان فازها در نوسان هستند، طول موج نامیده می شود.

رابطه بین طول موج λ، فرکانس v و سرعت موج c. در طول یک دوره نوسان، موج در فاصله λ منتشر می شود. بنابراین سرعت آن با فرمول تعیین می شود

از آن دوره تیو فرکانس v با رابطه T = 1 / v مرتبط هستند

سرعت موج برابر است با حاصل ضرب طول موج و فرکانس نوسان.

امواج الکترومغناطیسی

حالا بیایید به بررسی مستقیم امواج الکترومغناطیسی بپردازیم.

قوانین بنیادی طبیعت می توانند بسیار بیشتر از آنچه در حقایقی که از آن مشتق شده اند، آشکار کنند. یکی از این قوانین الکترومغناطیس کشف شده توسط ماکسول است.

در میان پیامدهای بی شمار، بسیار جالب و مهم ناشی از قوانین میدان الکترومغناطیسی ماکسول، شایسته است توجه ویژه. این نتیجه گیری است که برهمکنش الکترومغناطیسی با سرعت محدود منتشر می شود.

بر اساس تئوری عمل کوتاه برد، حرکت یک بار تغییر می کند میدان الکتریکینزدیک او. این میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی متناوب در مناطق مجاور فضا ایجاد می کند. یک میدان مغناطیسی متناوب، به نوبه خود، یک میدان الکتریکی متناوب و غیره ایجاد می کند.

بنابراین، حرکت بار باعث "ترکیدن" میدان الکترومغناطیسی می شود، که با گسترش، مناطق وسیعی از فضای اطراف را پوشش می دهد.

ماکسول از نظر ریاضی ثابت کرد که سرعت انتشار این فرآیند برابر با سرعت نور در خلاء است.

تصور کنید که یک بار الکتریکی به سادگی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل نشده است، بلکه در نوسانات سریع در امتداد یک خط مستقیم خاص قرار می گیرد. سپس میدان الکتریکی در مجاورت بار شروع به تغییر دوره ای می کند. دوره این تغییرات بدیهی است که برابر با دوره نوسانات بار خواهد بود. یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی متناوب در حال تغییر ایجاد می کند و دومی به نوبه خود باعث ظاهر شدن یک میدان الکتریکی متناوب در فاصله بیشتر از بار و غیره می شود.

در هر نقطه از فضا، میدان های الکتریکی و مغناطیسی به طور متناوب در زمان تغییر می کنند. هر چه نقطه ای از بار دورتر باشد، نوسانات میدان دیرتر به آن می رسد. در نتیجه، در فواصل مختلف از بار، نوسانات با فازهای مختلف رخ می دهد.

جهت بردارهای نوسانی قدرت میدان الکتریکی و القای میدان مغناطیسی عمود بر جهت انتشار موج است.

یک موج الکترومغناطیسی عرضی است.

امواج الکترومغناطیسی از بارهای نوسانی ساطع می شوند. مهم است که سرعت حرکت چنین بارهایی با زمان تغییر کند، یعنی با شتاب حرکت کنند. وجود شتاب شرط اصلی برای انتشار امواج الکترومغناطیسی است. میدان الکترومغناطیسی نه تنها زمانی که بار نوسان می‌کند، بلکه در طول هر تغییر سریع در سرعت آن نیز به طرز قابل توجهی ساطع می‌شود. هرچه شتابی که بار با آن حرکت می کند بیشتر باشد، شدت موج ساطع شده بیشتر می شود.

ماکسول عمیقاً به واقعیت امواج الکترومغناطیسی متقاعد شده بود. اما او زنده نماند تا کشف آزمایشی آنها را ببیند. تنها 10 سال پس از مرگ او، امواج الکترومغناطیسی به طور تجربی توسط هرتز به دست آمد.

اثبات تجربی وجود

امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی بر خلاف امواج مکانیکی قابل مشاهده نیستند، اما چگونه کشف شدند؟ برای پاسخ به این سوال، آزمایش های هرتز را در نظر بگیرید.

یک موج الکترومغناطیسی به دلیل ارتباط متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی متناوب تشکیل می شود. تغییر یک فیلد باعث نمایان شدن فیلد دیگری می شود. همانطور که مشخص است، هرچه القای مغناطیسی در طول زمان سریعتر تغییر کند، شدت میدان الکتریکی حاصل بیشتر می شود. و به نوبه خود، هرچه شدت میدان الکتریکی سریعتر تغییر کند، القای مغناطیسی بیشتر است.

برای تولید امواج الکترومغناطیسی شدید، ایجاد نوسانات الکترومغناطیسی با فرکانس کافی ضروری است.

نوسانات فرکانس بالا را می توان با استفاده از یک مدار نوسانی به دست آورد. فرکانس نوسان 1/√ LC است. از اینجا می توان دریافت که هر چه اندوکتانس و ظرفیت مدار کوچکتر باشد، بیشتر خواهد بود.

G. Hertz برای تولید امواج الکترومغناطیسی از یک دستگاه ساده استفاده کرد که امروزه ویبراتور هرتز نامیده می شود.

این دستگاه یک مدار نوسانی باز است.

اگر بتدریج صفحات خازن را از هم جدا کرده و مساحت آنها را کاهش دهید و در عین حال تعداد دور سیم پیچ را کاهش دهید، می توانید از مدار بسته به مدار باز بروید. در پایان فقط یک سیم مستقیم خواهد بود. این یک مدار نوسانی باز است. ظرفیت و اندوکتانس ویبراتور هرتز کوچک است. بنابراین فرکانس نوسان بسیار زیاد است.

در مدار باز، بارها در انتها متمرکز نمی شوند، بلکه در سراسر هادی توزیع می شوند. جریان در یک لحظه معین از زمان در تمام بخش های هادی در یک جهت هدایت می شود، اما قدرت جریان در یکسان نیست. بخش های مختلفرهبر ارکستر. در انتها صفر است و در وسط به حداکثر می رسد (در مدارهای معمولی جریان متناوب، قدرت جریان در تمام بخش ها در یک لحظه معین از زمان یکسان است.) میدان الکترومغناطیسی کل فضای نزدیک مدار را نیز پوشش می دهد. .

هرتز امواج الکترومغناطیسی را با تحریک یک سری پالس با جریان متناوب سریع در یک ویبراتور با استفاده از یک منبع ولتاژ بالا دریافت کرد. نوسانات بارهای الکتریکی در یک ویبراتور یک موج الکترومغناطیسی ایجاد می کند. فقط نوسانات در ویبراتور توسط یک ذره باردار انجام نمی شود، بلکه توسط تعداد زیادی الکترون که به طور هماهنگ حرکت می کنند انجام می شود. در موج الکترومغناطیسی، بردارهای E و B بر یکدیگر عمود هستند. بردار E در صفحه ای است که از ویبراتور می گذرد و بردار B بر این صفحه عمود است. امواج با حداکثر شدت در جهت عمود بر محور ویبراتور ساطع می شوند. هیچ تشعشعی در طول محور رخ نمی دهد.

امواج الکترومغناطیسی توسط هرتز با استفاده از یک ویبراتور گیرنده (رزوناتور) که همان دستگاه ویبراتور ساطع کننده است، ثبت شد. تحت تأثیر میدان الکتریکی متناوب یک موج الکترومغناطیسی، نوسانات جریان در ویبراتور گیرنده برانگیخته می شود. اگر فرکانس طبیعی ویبراتور گیرنده با فرکانس موج الکترومغناطیسی منطبق باشد، تشدید مشاهده می شود. نوسانات در تشدید کننده زمانی با دامنه بزرگی رخ می دهد که موازی با ویبراتور تابشی قرار گیرد. هرتز این ارتعاشات را با مشاهده جرقه ها در یک شکاف بسیار کوچک بین هادی های ویبراتور گیرنده کشف کرد. هرتز نه تنها امواج الکترومغناطیسی را به دست آورد، بلکه کشف کرد که آنها مانند انواع دیگر امواج رفتار می کنند.

وجود امواج الکترومغناطیسی توسط فیزیکدان بزرگ انگلیسی جی. ماکسول در سال 1864 به صورت نظری پیش بینی شد. ماکسول تمام قوانین الکترودینامیک شناخته شده در آن زمان را تجزیه و تحلیل کرد و سعی کرد آنها را در میدان های الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان اعمال کند. او توجه را به عدم تقارن رابطه بین پدیده های الکتریکی و مغناطیسی جلب کرد. ماکسول مفهوم میدان الکتریکی گرداب را به فیزیک معرفی کرد و تفسیر جدیدی از قانون ارائه کرد. القای الکترومغناطیسیتوسط فارادی در سال 1831 کشف شد:

هر گونه تغییر در میدان مغناطیسی یک میدان الکتریکی گردابی در فضای اطراف ایجاد می کند. خطوط برقکه بسته هستند.

ماکسول وجود فرآیند معکوس را فرض کرد:

یک میدان الکتریکی متغیر با زمان یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می کند.

برنج. 2.6.1 و 2.6.2 تبدیل متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی را نشان می دهد.

این فرضیه تنها یک فرض نظری بود که تأیید تجربی نداشت، اما ماکسول بر اساس آن توانست یک سیستم منسجم از معادلات را بنویسد که تبدیل‌های متقابل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را توصیف می‌کند، یعنی سیستمی از معادلات. میدان الکترومغناطیسی(معادلات ماکسول). چند نتیجه مهم از نظریه ماکسول حاصل می شود:

1. امواج الکترومغناطیسی وجود دارد، یعنی یک میدان الکترومغناطیسی منتشر شده در فضا و زمان. امواج الکترومغناطیسی عرضی- بردارها و عمود بر هم هستند و در صفحه ای عمود بر جهت انتشار موج قرار دارند (شکل 2.6.3).

2. امواج الکترومغناطیسی در ماده با سرعت ترمینال

در اینجا ε و μ نفوذپذیری دی الکتریک و مغناطیسی ماده هستند، ε 0 و μ 0 ثابت های الکتریکی و مغناطیسی هستند:

ε 0 = 8.85419·10 -12 F/m،

μ 0 = 1.25664·10 -6 H/m.

طول موج λ در یک موج سینوسی به سرعت υ انتشار موج با رابطه λ = υ مربوط می شود. تی = υ / f، جایی که f- فرکانس نوسانات میدان الکترومغناطیسی، تی = 1 / f.

سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلاء (ε = μ = 1):

سرعت جانتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء یکی از ثابت های فیزیکی اساسی است.

نتیجه گیری ماکسول در مورد سرعت محدود انتشار امواج الکترومغناطیسی با دیدگاه پذیرفته شده در آن زمان در تضاد بود. نظریه دوربرد ، که در آن سرعت انتشار میدان های الکتریکی و مغناطیسی بی نهایت زیاد فرض می شد. بنابراین نظریه ماکسول را نظریه می نامند برد کوتاه.

3. در یک موج الکترومغناطیسی، دگرگونی های متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی رخ می دهد. این فرآیندها به طور همزمان اتفاق می‌افتند و میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌عنوان «شریک‌های» برابر عمل می‌کنند. بنابراین، چگالی حجمی انرژی الکتریکی و مغناطیسی با یکدیگر برابر است: w e = wمتر

نتیجه این است که در یک موج الکترومغناطیسی مدول های القای میدان مغناطیسی و قدرت میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا با رابطه مرتبط هستند.

4. امواج الکترومغناطیسی حامل انرژی هستند. هنگامی که امواج منتشر می شوند، جریانی از انرژی الکترومغناطیسی ایجاد می شود. اگر سایتی را انتخاب کنید اس(شکل 2.6.3)، عمود بر جهت انتشار موج، سپس در یک زمان کوتاه Δ تیانرژی Δ از طریق پلت فرم جریان می یابد دبلیوام، برابر

Δ دبلیوام = ( w e + w m)υ اسΔ تی.

چگالی شار یا شدت منانرژی الکترومغناطیسی است که توسط یک موج در واحد زمان از سطح واحد سطح منتقل می شود:

در اینجا عبارات را جایگزین کنید wاوه، w m و υ، می توانیم بدست آوریم:

جریان انرژی در یک موج الکترومغناطیسی را می توان با استفاده از بردار مشخص کرد که جهت آن با جهت انتشار موج منطبق است و مدول آن برابر است با E.B./ μμ 0. این بردار نامیده می شود وکتور Poynting .

در یک موج سینوسی (هارمونیک) در خلاء، مقدار متوسط من cf چگالی شار انرژی الکترومغناطیسی برابر است

جایی که E 0 - دامنه نوسانات شدت میدان الکتریکی.

چگالی شار انرژی در SI در اندازه گیری می شود وات در هر متر مربع (W/m2).

5. از نظریه ماکسول چنین بر می آید که امواج الکترومغناطیسی باید بر جسم جذب کننده یا بازتابنده فشار وارد کنند. فشار تابش الکترومغناطیسی با این واقعیت توضیح داده می شود که تحت تأثیر میدان الکتریکی موج، جریان های ضعیفی در ماده ایجاد می شود، یعنی حرکت منظم ذرات باردار. این جریان ها تحت تأثیر نیروی آمپر از میدان مغناطیسی موج قرار می گیرند که به ضخامت ماده هدایت می شود. این نیرو فشار حاصل را ایجاد می کند. معمولاً فشار تابش الکترومغناطیسی ناچیز است. به عنوان مثال، فشار تشعشعات خورشیدی وارد شده به زمین در یک سطح کاملاً جذب کننده تقریباً 5 μPa است. اولین آزمایش‌ها برای تعیین فشار تشعشع بر اجسام بازتابنده و جاذب، که نتیجه‌گیری نظریه ماکسول را تأیید کرد، توسط پیتر نیکولاویچ لبدف در سال 1900 انجام شد. آزمایش‌های لبدف برای تأیید نظریه الکترومغناطیسی ماکسول اهمیت زیادی داشت.

وجود فشار امواج الکترومغناطیسی به ما این امکان را می دهد که نتیجه بگیریم که میدان الکترومغناطیسی ذاتی است ضربه مکانیکی. پالس میدان الکترومغناطیسی در واحد حجم با رابطه بیان می شود

جایی که w em - چگالی حجمی انرژی الکترومغناطیسی، ج- سرعت انتشار امواج در خلاء وجود یک پالس الکترومغناطیسی به ما اجازه می دهد تا مفهوم جرم الکترومغناطیسی را معرفی کنیم.

برای یک میدان در حجم واحد

این دلالت می کنه که:

این رابطه بین جرم و انرژی میدان الکترومغناطیسی در واحد حجم یک قانون جهانی طبیعت است. بر اساس نظریه نسبیت خاص (STR)، این امر برای هر جسمی صرف نظر از ماهیت و ساختار درونی آنها صادق است.

بنابراین، میدان الکترومغناطیسی دارای تمام ویژگی های اجسام مادی است - انرژی، سرعت انتشار محدود، تکانه، جرم. این نشان می دهد که میدان الکترومغناطیسی یکی از اشکال وجود ماده است.

6. اولین تأیید تجربی نظریه الکترومغناطیسی ماکسول تقریباً 15 سال پس از ایجاد این نظریه در آزمایش های هاینریش هرتز (1888) ارائه شد. هرتز نه تنها به طور تجربی وجود امواج الکترومغناطیسی را اثبات کرد، بلکه برای اولین بار شروع به مطالعه خواص آنها - جذب و شکست در محیط های مختلف، بازتاب از سطوح فلزیو غیره او توانست به طور تجربی طول موج و سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی را اندازه گیری کند که با سرعت نور برابری می کند.

آزمایشات هرتز نقش تعیین کننده ای در اثبات و شناخت نظریه الکترومغناطیسی ماکسول ایفا کرد. هفت سال پس از این آزمایشات، امواج الکترومغناطیسی در ارتباطات بی سیم کاربرد پیدا کردند (A.S. Popov، 1895).

7. امواج الکترومغناطیسی فقط می توانند برانگیخته شوند بارهای متحرک تسریع شده. زنجیر جریان مستقیم، که در آن حامل های بار با سرعت ثابت حرکت می کنند، منبع امواج الکترومغناطیسی نیستند. در مهندسی رادیویی مدرن، امواج الکترومغناطیسی با استفاده از آنتن ساطع می شوند طرح های مختلف، که در آن جریان های متناوب سریع برانگیخته می شوند.

ساده ترین سیستمی که امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند یک دوقطبی الکتریکی با اندازه کوچک، گشتاور دوقطبی است. پ (تی) که در طول زمان به سرعت تغییر می کند.

چنین دوقطبی ابتدایی نامیده می شود دوقطبی هرتز . در مهندسی رادیو، یک دوقطبی هرتز معادل یک آنتن کوچک است که اندازه آن بسیار کوچکتر از طول موج λ است (شکل 2.6.4).

برنج. 2.6.5 ایده ای از ساختار موج الکترومغناطیسی ساطع شده توسط چنین دوقطبی ارائه می دهد.

لازم به ذکر است که حداکثر جریانانرژی الکترومغناطیسی در صفحه ای عمود بر محور دوقطبی ساطع می شود. دوقطبی در امتداد محور خود انرژی تابش نمی کند. هرتز برای اثبات تجربی وجود امواج الکترومغناطیسی از یک دوقطبی ابتدایی به عنوان آنتن فرستنده و گیرنده استفاده کرد.

در سال 1864، جیمز کلرک ماکسول احتمال وجود امواج الکترومغناطیسی در فضا را پیش بینی کرد. او این بیانیه را بر اساس نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل تمام داده های تجربی شناخته شده در آن زمان در مورد الکتریسیته و مغناطیس ارائه کرد.

ماکسول از نظر ریاضی قوانین الکترودینامیک را متحد کرد و پدیده های الکتریکی و مغناطیسی را به هم پیوند زد و بدین ترتیب به این نتیجه رسید که میدان های الکتریکی و مغناطیسی با تغییر در طول زمان یکدیگر را ایجاد می کنند.

او در ابتدا بر این واقعیت تمرکز کرد که رابطه بین پدیده های مغناطیسی و الکتریکی متقارن نیست و اصطلاح "میدان الکتریکی گرداب" را معرفی کرد و توضیح واقعاً جدید خود را از پدیده القای الکترومغناطیسی کشف شده توسط فارادی ارائه کرد: "هر تغییر در مغناطیسی". میدان منجر به نمایان شدن فضای اطراف یک میدان الکتریکی گردابی با خطوط بسته نیرو می شود.

به گفته ماکسول، گزاره مخالف نیز صادق بود: "یک میدان الکتریکی در حال تغییر، یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می کند"، اما این بیانیه در ابتدا فقط یک فرضیه باقی ماند.

ماکسول سیستمی از معادلات ریاضی را نوشت که به طور مداوم قوانین تبدیل متقابل میدان های مغناطیسی و الکتریکی را توصیف می کرد؛ این معادلات بعداً به معادلات اساسی الکترودینامیک تبدیل شدند و به افتخار دانشمند بزرگی که آنها را نوشت، "معادلات ماکسول" نامیده شدند. پایین. فرضیه ماکسول، بر اساس معادلات مکتوب، چندین نتیجه بسیار مهم برای علم و فناوری داشت که در زیر آورده شده است.

امواج الکترومغناطیسی واقعا وجود دارند

امواج الکترومغناطیسی عرضی می توانند در فضا وجود داشته باشند که در طول زمان در حال انتشار هستند. عرضی بودن امواج با این واقعیت نشان می دهد که بردارهای القای مغناطیسی B و شدت میدان الکتریکی E بر یکدیگر عمود هستند و هر دو در صفحه ای عمود بر جهت انتشار موج الکترومغناطیسی قرار دارند.

سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در یک ماده محدود است و با خواص الکتریکی و مغناطیسی ماده ای که موج از طریق آن منتشر می شود تعیین می شود. طول موج سینوسی λ با نسبت دقیق معینی λ = υ / f به سرعت υ مربوط می شود و به فرکانس f نوسانات میدان بستگی دارد. سرعت c یک موج الکترومغناطیسی در خلاء یکی از ثابت های فیزیکی اساسی است - سرعت نور در خلاء.

از آنجایی که ماکسول بیان کرد که سرعت انتشار موج الکترومغناطیسی محدود است، این امر تناقضی بین فرضیه او و نظریه عمل دوربرد پذیرفته شده در آن زمان ایجاد کرد که طبق آن سرعت انتشار امواج باید نامحدود باشد. بنابراین نظریه ماکسول را نظریه کنش کوتاه برد نامیدند.

در یک موج الکترومغناطیسی، تبدیل میدان های الکتریکی و مغناطیسی به یکدیگر به طور همزمان اتفاق می افتد، بنابراین چگالی حجمی انرژی مغناطیسی و انرژی الکتریکیبا یکدیگر برابر هستند. بنابراین، درست است که مدول های شدت میدان الکتریکی و القای میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضا با رابطه زیر به یکدیگر مرتبط هستند:

یک موج الکترومغناطیسی در فرآیند انتشار خود جریانی از انرژی الکترومغناطیسی ایجاد می کند و اگر ناحیه ای را در صفحه ای عمود بر جهت انتشار موج در نظر بگیریم، در مدت زمان کوتاهی مقدار معینی از انرژی الکترومغناطیسی حرکت می کند. از طریق آن. چگالی شار انرژی الکترومغناطیسی مقدار انرژی است که توسط یک موج الکترومغناطیسی از سطح یک واحد سطح در واحد زمان منتقل می شود. با جایگزینی مقادیر سرعت و همچنین انرژی مغناطیسی و الکتریکی می‌توان بیانی برای چگالی شار بر حسب مقادیر E و B بدست آورد.

از آنجایی که جهت انتشار انرژی موج با جهت سرعت انتشار موج منطبق است، جریان انتشار انرژی در یک موج الکترومغناطیسی را می توان با استفاده از یک بردار که به همان ترتیب سرعت انتشار موج هدایت می شود، مشخص کرد. این بردار به افتخار فیزیکدان انگلیسی هنری پونتینگ، که نظریه انتشار جریان انرژی میدان الکترومغناطیسی را در سال 1884 توسعه داد، "بردار پوینتینگ" نامیده شد. چگالی شار انرژی موج بر حسب W/sq.m اندازه گیری می شود.

هنگامی که یک میدان الکتریکی روی یک ماده اثر می گذارد، جریان های کوچکی در آن ظاهر می شود که نشان دهنده حرکت منظم ذرات باردار الکتریکی است. این جریان ها در میدان مغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی تحت تأثیر نیروی آمپر هستند که به عمق ماده هدایت می شود. نیروی آمپر در نهایت فشار ایجاد می کند.

این پدیده بعداً در سال 1900 توسط فیزیکدان روسی پیوتر نیکولاویچ لبدف مورد مطالعه و تایید تجربی قرار گرفت که کار تجربی او برای تایید نظریه الکترومغناطیس ماکسول و پذیرش و تایید آن در آینده بسیار مهم بود.

این واقعیت که یک موج الکترومغناطیسی فشار وارد می کند به شخص اجازه می دهد تا قضاوت کند که میدان الکترومغناطیسی دارای یک ضربه مکانیکی است که می تواند برای یک واحد حجم از طریق چگالی حجمی انرژی الکترومغناطیسی و سرعت انتشار موج در خلاء بیان شود:

از آنجایی که تکانه با حرکت جرم همراه است، می توان مفهومی را به عنوان جرم الکترومغناطیسی معرفی کرد و سپس برای یک واحد حجم این رابطه (مطابق با STR) ماهیت یک قانون جهانی طبیعت را به خود می گیرد و برای هر جسم مادی، صرف نظر از شکل ماده، معتبر باشد. و میدان الکترومغناطیسی پس از آن شبیه به یک جسم مادی است - دارای انرژی W، جرم m، تکانه p و سرعت نهایی انتشار v. یعنی میدان الکترومغناطیسی یکی از اشکال ماده ای است که در طبیعت وجود دارد.

برای اولین بار در سال 1888، هاینریش هرتز به طور تجربی نظریه الکترومغناطیسی ماکسول را تایید کرد. او به طور تجربی واقعیت امواج الکترومغناطیسی را اثبات کرد و خواص آنها مانند شکست و جذب در رسانه های مختلف و همچنین بازتاب امواج از سطوح فلزی را مورد مطالعه قرار داد.

هرتز طول موج را اندازه گرفت و نشان داد که سرعت انتشار یک موج الکترومغناطیسی برابر با سرعت نور است. کار تجربی هرتز شد آخرین مرحلهبه شناخت نظریه الکترومغناطیسی ماکسول. هفت سال بعد، در سال 1895، فیزیکدان روسی الکساندر استپانوویچ پوپوف از امواج الکترومغناطیسی برای ایجاد ارتباطات بی سیم استفاده کرد.

در مدارهای جریان مستقیم، بارها با سرعت ثابتی حرکت می کنند و در این حالت امواج الکترومغناطیسی به فضا گسیل نمی شوند. برای اینکه تشعشع اتفاق بیفتد، لازم است از آنتنی استفاده شود که در آن جریان های متناوب تحریک می شوند، یعنی جریان هایی که به سرعت جهت خود را تغییر می دهند.

در ساده ترین شکل خود، یک دوقطبی الکتریکی برای انتشار امواج الکترومغناطیسی مناسب است اندازه کوچک، که لحظه دوقطبی آن با گذشت زمان به سرعت تغییر می کند. دقیقاً این نوع دوقطبی است که امروزه "دوقطبی هرتز" نامیده می شود، اندازه آن چندین برابر کوچکتر از طول موجی است که منتشر می کند.

هنگامی که توسط یک دوقطبی هرتزی تابش می شود، حداکثر جریان انرژی الکترومغناطیسی بر روی صفحه ای عمود بر محور دوقطبی می افتد. هیچ تابشی از انرژی الکترومغناطیسی در امتداد محور دوقطبی وجود ندارد. در مهمترین آزمایشات هرتز از دوقطبی های ابتدایی هم برای انتشار و هم برای دریافت امواج الکترومغناطیسی استفاده شد و وجود امواج الکترومغناطیسی به اثبات رسید.