Elektromagnetski valovi i njihova raspodjela. elektromagnetski val

M. Faraday uveo je pojam polja:

elektrostatičko polje oko naboja koji miruje

oko pokretnih naboja (struja) postoji magnetsko polje.

1830. M. Faraday je otkrio fenomen elektromagnetska indukcija: kada se promijeni magnetsko polje postoji vrtlog električno polje.

Slika 2.7 - Vrtložno električno polje

gdje,
- vektor jakosti električnog polja,
- vektor magnetske indukcije.

Izmjenično magnetsko polje stvara vrtložno električno polje.

Godine 1862. D.K. Maxwell je iznio hipotezu: kada se mijenja električno polje stvara se vrtložno magnetsko polje.

Pojavila se ideja o jedinstvenom elektromagnetskom polju.

Slika 2.8 - Jedinstveno elektromagnetno polje.

Izmjenično električno polje stvara vrtložno magnetsko polje.

Elektromagnetno polje- ovo je poseban oblik materije - kombinacija električnog i magnetskog polja. Promjenjiva električna i magnetska polja postoje istovremeno i tvore jedno elektromagnetno polje. Materijalno je:

Očituje se djelovanjem i na naboje u mirovanju i na pokretne naboje;

Širi se velikom, ali ograničenom brzinom;

Ona postoji neovisno o našoj volji i željama.

Pri brzini punjenja, nula, postoji samo električno polje. Pri konstantnoj brzini punjenja stvara se elektromagnetno polje.

Ubrzanim kretanjem naboja emitira se elektromagnetski val koji se širi u prostoru konačnom brzinom .

Razvoj ideje o elektromagnetskim valovima pripada Maxwellu, ali Faraday je već znao za njihovo postojanje, iako se bojao objaviti djelo (čitano je više od 100 godina nakon njegove smrti).

Glavni uvjet za nastanak elektromagnetskog vala je ubrzano kretanje električnih naboja.

Što je elektromagnetski val, lako je zamisliti sljedeći primjer. Ako bacite kamenčić na površinu vode, tada se na površini formiraju valovi koji se razilaze u krugovima. Oni se kreću od izvora svog nastanka (perturbacije) određenom brzinom širenja. Za elektromagnetske valove, smetnje su električna i magnetska polja koja se kreću u prostoru. Elektromagnetsko polje koje se mijenja u vremenu nužno uzrokuje izmjenično magnetsko polje, i obrnuto. Ova polja su međusobno povezana.

Glavni izvor spektra elektromagnetskih valova je zvijezda Sunce. Dio spektra elektromagnetskih valova vidi ljudsko oko. Ovaj spektar se nalazi unutar 380...780 nm (slika 2.1). U vidljivom spektru, oko drugačije percipira svjetlost. Elektromagnetske oscilacije različitih valnih duljina uzrokuju osjet svjetlosti različitih boja.

Slika 2.9 - Spektar elektromagnetskih valova

Dio spektra elektromagnetskih valova koristi se za potrebe radio i televizijskog emitiranja i komunikacija. Izvor elektromagnetskih valova je žica (antena) u kojoj dolazi do titranja električnih naboja. Proces formiranja polja, koji je započeo u blizini žice, postupno, točku po točku, zahvaća cijeli prostor. Što je frekvencija veća naizmjenična struja prolazeći kroz žicu i stvarajući električno ili magnetsko polje, intenzivniji su radio valovi određene duljine koje stvara žica.

Radio(lat. radio - emitirati, emitirati zrake ← radius - snop) - vrsta bežične komunikacije u kojoj se kao nositelj signala koriste radio valovi koji se slobodno šire u prostoru.

Radio valovi(s radija...), elektromagnetski valovi valne duljine > 500 µm (frekvencija< 6×10 12 Гц).

Radio valovi su električna i magnetska polja koja se mijenjaju tijekom vremena. Brzina širenja radio valova u slobodnom prostoru je 300 000 km/s. Na temelju toga možete odrediti duljinu radio vala (m).

λ=300/f, gdje je f - frekvencija (MHz)

Zvučne vibracije zraka nastale tijekom telefonskog razgovora pretvaraju se mikrofonom u električne vibracije zvučne frekvencije, koje se žicama prenose na opremu pretplatnika. Tamo, na drugom kraju linije, uz pomoć odašiljača telefona, pretvaraju se u vibracije zraka koje pretplatnik percipira kao zvukove. U telefoniji su sredstva komunikacije žice, u radiodifuziji radio valovi.

"Srce" odašiljača bilo koje radijske postaje je generator - uređaj koji generira oscilacije visoke, ali strogo konstantne frekvencije za danu radio postaju. Ove radiofrekventne oscilacije, pojačane na potrebnu snagu, ulaze u antenu i pobuđuju u okolnom prostoru elektromagnetske oscilacije potpuno iste frekvencije - radio valove. Brzina uklanjanja radio valova s ​​antene radio stanice jednaka je brzini svjetlosti: 300.000 km/s, što je gotovo milijun puta brže od širenja zvuka u zraku. To znači da ako se odašiljač uključi u određenom trenutku na Moskovskoj radiodifuznoj stanici, tada bi njegovi radio valovi stigli do Vladivostoka za manje od 1/30 s, a zvuk bi za to vrijeme imao vremena da se širi samo 10- 11 m.

Radio valovi se šire ne samo u zraku, već i tamo gdje ih nema, na primjer, u svemiru. Po tome se razlikuju od zvučni valovi, za koji je zrak ili neki drugi gusti medij, poput vode, apsolutno neophodan.

elektromagnetski val je elektromagnetno polje koje se širi u prostoru (oscilacije vektora
). U blizini naboja mijenjaju se električno i magnetsko polje s faznim pomakom p/2.

Slika 2.10 - Jedinstveno elektromagnetno polje.

Na velikoj udaljenosti od naboja električno i magnetsko polje mijenjaju se u fazi.

Slika 2.11 - Infazna promjena električnih i magnetskih polja.

Elektromagnetski val je poprečan. Smjer brzine elektromagnetskog vala poklapa se sa smjerom kretanja desnog vijka pri okretanju ručke vektorskog gimleta na vektor .

Slika 2.12 - Elektromagnetski val.

Štoviše, u elektromagnetskom valu relacija
, gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu.

Maxwell je teoretski izračunao energiju i brzinu elektromagnetskih valova.

Tako, energija valova izravno je proporcionalna četvrtom stepenu frekvencije. To znači da je za lakše fiksiranje vala potrebno da bude visoke frekvencije.

Elektromagnetske valove otkrio je G. Hertz (1887).

Zatvoreni oscilatorni krug ne zrači elektromagnetske valove: sva energija električnog polja kondenzatora pretvara se u energiju magnetskog polja zavojnice. Frekvencija titranja određena je parametrima oscilatornog kruga:
.

Slika 2.13 - Oscilatorni krug.

Za povećanje frekvencije potrebno je smanjiti L i C, t.j. okrenite zavojnicu na ravnu žicu i, kao
, smanjite površinu ​​ploča i raširite ih na maksimalnu udaljenost. To pokazuje da dobivamo, u biti, ravan dirigent.

Takav uređaj naziva se Hertz vibrator. Sredina je izrezana i spojena na visokofrekventni transformator. Između krajeva žica, na kojima su pričvršćeni mali sferni vodiči, skače električna iskra, koja je izvor elektromagnetskog vala. Val se širi na način da vektor jakosti električnog polja oscilira u ravnini u kojoj se nalazi vodič.

Slika 2.14 - Hertz vibrator.

Ako se isti vodič (antena) postavi paralelno s emiterom, tada će naboji u njemu oscilirati i između vodiča će skakati slabe iskre.

Hertz je u eksperimentu otkrio elektromagnetske valove i izmjerio njihovu brzinu, koja se poklopila s onom koju je izračunao Maxwell i koja je jednaka c=3. 10 8 m/s.

Izmjenično električno polje stvara izmjenično magnetsko polje, koje pak generira izmjenično električno polje, odnosno antena koja pobuđuje jedno od polja uzrokuje pojavu jednog elektromagnetsko polje. Najvažnije svojstvo ovog polja je da se širi u obliku elektromagnetskih valova.

Brzina širenja elektromagnetskih valova u mediju bez gubitaka ovisi o relativnoj dielektričnoj i magnetskoj permeabilnosti medija. Za zrak je magnetska propusnost medija jednaka jedan, stoga je brzina širenja elektromagnetskih valova u ovom slučaju jednaka brzini svjetlosti.

Antena može biti okomita žica koju napaja visokofrekventni generator. Generator troši energiju da ubrza kretanje slobodnih elektrona u vodiču, a ta energija se pretvara u izmjenično elektromagnetsko polje, odnosno elektromagnetske valove. Što je frekvencija struje generatora viša, to se brže mijenja elektromagnetsko polje i intenzivnije je zacjeljivanje valova.

Antene su spojene na žicu poput električnog polja, linije sile koje počinje na pozitivnim, a završava na negativnim nabojima, te magnetsko polje čije su linije zatvorene oko struje žice. Što je period titranja kraći, to manje vremena ostaje da se energija vezanih polja vrati u žicu (odnosno u generator) i što više prelazi u slobodna polja, koja se dalje šire u obliku elektromagnetskih valova. Učinkovito zračenje elektromagnetskih valova nastaje pod uvjetom sumjerljivosti valne duljine i duljine zračiće žice.

Dakle, može se utvrditi da radio val- ovo je elektromagnetno polje koje nije povezano s emiterom i uređajima za stvaranje kanala, koje se slobodno širi u prostoru u obliku vala s frekvencijom titranja od 10 -3 do 10 12 Hz.

Oscilacije elektrona u anteni nastaju izvorom periodično promjenjivog EMF-a s periodom T. Ako je u nekom trenutku polje na anteni imalo maksimalnu vrijednost, onda će nakon nekog vremena imati istu vrijednost T. Za to vrijeme, elektromagnetno polje koje je postojalo u početnom trenutku na anteni pomaknut će se na udaljenost

λ = υT (1)

Minimalna udaljenost između dvije točke u prostoru gdje polje ima istu vrijednost naziva se valna duljina. Kao što slijedi iz (1), valna duljina λ ovisi o brzini njegova širenja i periodu titranja elektrona u anteni. Kao frekvencija Trenutno f = 1 / T, zatim valna duljina λ = υ / f .

Radio veza uključuje sljedeće glavne dijelove:

Odašiljač

Prijamnik

Medij u kojem se šire radio valovi.

Odašiljač i prijemnik su upravljivi elementi radio veze, budući da je moguće povećati snagu odašiljača, spojiti učinkovitiju antenu i povećati osjetljivost prijamnika. Medij je nekontrolirani element radio veze.

Razlika između radijske komunikacijske linije i žičanih linija je u tome što žičani vodovi koriste žice ili kabele kao poveznicu, koji su kontrolirani elementi (možete mijenjati njihove električne parametre).

), koji opisuje elektromagnetno polje, teoretski je pokazao da elektromagnetno polje u vakuumu može postojati i u odsutnosti izvora - naboja i struja. Polje bez izvora ima oblik valova koji se šire konačnom brzinom, koja je u vakuumu jednaka brzini svjetlosti: s= 299792458±1,2 m/s. Podudarnost brzine širenja elektromagnetskih valova u vakuumu s brzinom svjetlosti koja je ranije izmjerena omogućila je Maxwellu da zaključi da su svjetlost elektromagnetski valovi. Taj je zaključak kasnije bio temelj elektromagnetske teorije svjetlosti.

Godine 1888. teorija elektromagnetskih valova dobila je eksperimentalnu potvrdu u pokusima G. Hertza. Koristeći izvor visokog napona i vibratore (vidi Hertz vibrator), Hertz je uspio izvesti suptilne eksperimente kako bi odredio brzinu širenja elektromagnetskog vala i njegovu duljinu. Eksperimentalno je potvrđeno da je brzina širenja elektromagnetskog vala jednaka brzini svjetlosti, što je dokazalo elektromagnetsku prirodu svjetlosti.

to je proces širenja elektromagnetske interakcije u prostoru.
Elektromagnetski valovi opisani su zajednički elektromagnetske pojave Maxwellove jednadžbe. Čak i u nedostatku električnih naboja i struja u prostoru, Maxwellove jednadžbe imaju rješenja različita od nule. Ova rješenja opisuju elektromagnetske valove.
U nedostatku naboja i struja, Maxwellove jednadžbe imaju sljedeći oblik:

,

Primjenom operacije rot na prve dvije jednadžbe možete dobiti zasebne jednadžbe za određivanje jakosti električnog i magnetskog polja

Ove jednadžbe imaju tipičan oblik valne jednadžbe. Njihova odvajanja su superpozicija izraza sljedećeg tipa

Gdje - Određeni vektor, koji se zove valni vektor, ? - broj koji se naziva ciklička frekvencija, ? - faza. Veličine su amplitude električne i magnetske komponente elektromagnetskog vala. Oni su međusobno okomiti i jednaki po apsolutnoj vrijednosti. Fizička interpretacija svake od uvedenih veličina data je u nastavku.
U vakuumu, elektromagnetski val putuje brzinom koja se naziva brzinom svjetlosti. Brzina svjetlosti je temeljna fizička konstanta, koja se označava latinično slovo c. Prema osnovnom postulatu teorije relativnosti, brzina svjetlosti je najveća moguća brzina prijenosa informacija ili kretanja tijela. Ova brzina je 299,792,458 m/s.
Elektromagnetski val karakterizira frekvencija. Razlikovati frekvenciju linije? i ciklička frekvencija? = 2??. Ovisno o frekvenciji, elektromagnetski valovi pripadaju jednom od spektralnih raspona.
Druga karakteristika elektromagnetskog vala je valni vektor. Valni vektor određuje smjer širenja elektromagnetskog vala, kao i njegovu duljinu. Apsolutna vrijednost vektora vjetra naziva se valni broj.
Duljina elektromagnetskog vala? = 2? / k, gdje je k valni broj.
Duljina elektromagnetskog vala je povezana s frekvencijom kroz zakon disperzije. U praznini, ova veza je jednostavna:

?? = c.

Ovaj omjer se često piše kao

? = c k.

Elektromagnetski valovi iste frekvencije i valnog vektora mogu se razlikovati u fazi.
U vakuumu su vektori jakosti električnog i magnetskog polja elektromagnetskog vala nužno okomiti na smjer širenja vala. Takvi valovi se nazivaju posmičnim valovima. Matematički, to je opisano jednadžbama i . Osim toga, jakosti električnog i magnetskog polja su okomite jedna na drugu i uvijek su jednake u apsolutnoj vrijednosti u bilo kojoj točki prostora: E = H. Ako odaberete koordinatni sustav tako da se os z podudara sa smjerom širenja elektromagnetskog vala, postoje dva razne mogućnosti za smjerove vektora jakosti električnog polja. Ako je eklektično polje usmjereno duž osi x, tada će magnetsko polje biti usmjereno duž osi y, i obrnuto. Ove dvije različite mogućnosti se međusobno ne isključuju i odgovaraju dvjema različitim polarizacijama. O ovom pitanju detaljnije se govori u članku Polarizacija valova.
Spektralni rasponi s odabranom vidljivom svjetlošću Ovisno o frekvenciji ili valnoj duljini (ove su veličine povezane), elektromagnetski valovi se klasificiraju u različite raspone. Valovi u različitim rasponima međusobno djeluju s fizičkim tijelima na različite načine.
Elektromagnetski valovi s najnižom frekvencijom (ili najdužom valnom duljinom) nazivaju se radio domet. Radio pojas se koristi za prijenos signala na daljinu pomoću radija, televizije, Mobiteli. Radar radi u radijskom dometu. Radio raspon se dijeli na metar, ditsemetar, centimetar, milimetar, ovisno o duljini elektromagnetskog vala.
Elektromagnetski valovi vjerojatno pripadaju infracrvenom području. U infracrvenom području leži toplinsko zračenje tijela. Registriranje ove vibracije je osnova za rad uređaja za noćno gledanje. Infracrveni valovi se koriste za proučavanje toplinskih vibracija u tijelima i pomažu u uspostavljanju strukture atoma. čvrste tvari, plinovi i tekućine.
Elektromagnetsko zračenje valne duljine od 400 nm do 800 nm pripada rasponu vidljive svjetlosti. Vidljivo svjetlo ima različite boje ovisno o frekvenciji i valnoj duljini.
Valne duljine manje od 400 nm nazivaju se ultraljubičasto. Ljudsko oko ih ne razlikuje, iako se njihova svojstva ne razlikuju od svojstava valova u vidljivom rasponu. Visoka frekvencija, a time i energija kvanta takve svjetlosti dovode do razornijeg učinka ultraljubičastih valova na biološke objekte. Zemljina površina je zaštićena od štetni učinci ultraljubičastih valova uz ozonski omotač. Za dodatnu zaštitu, priroda je ljude obdarila tamnom kožom. Međutim ultraljubičaste zrake potrebna osobi za proizvodnju vitamina D. Zato ljudi u sjevernim geografskim širinama, gdje je intenzitet ultraljubičastih valova manji, izgubila je tamnu boju kože.
Elektromagnetski valovi više frekvencije su rendgenski snimak rasponu. Zovu se tako jer ih je otkrio Roentgen, proučavajući zračenje koje nastaje tijekom usporavanja elektrona. U stranoj literaturi takvi se valovi nazivaju X-zrake poštujući Roentgenovu želju da ga zrake ne zovu njegovim imenom. Rentgenski valovi slabo djeluju s materijom, jače se apsorbiraju tamo gdje je gustoća veća. Ova se činjenica koristi u medicini za rendgensku fluorografiju. Rentgenski valovi se također koriste za elementarnu analizu i proučavanje strukture kristalnih tijela.
imaju najveću frekvenciju i najkraću duljinu ?-zrake. Te zrake nastaju kao rezultat nuklearne reakcije i reakcije između elementarne čestice. ?-zrake imaju veliki destruktivni učinak na biološke objekte. Međutim, oni se koriste u fizici za proučavanje razne karakteristike atomska jezgra.
Energija elektromagnetskog vala određena je zbrojem energija električnog i magnetskog polja. Gustoća energije u određenoj točki prostora dana je:

.

Vremenski prosječna gustoća energije jednaka je.

,

Gdje je E 0 = H 0 amplituda vala.
Važnost ima gustoću toka energije elektromagnetskog vala. Konkretno, određuje svjetlosni tok u optici. Gustoća toka energije elektromagnetskog vala dana je Umov-Poyntingovim vektorom.

Širenje elektromagnetskih valova u mediju ima niz značajki u usporedbi s širenjem u vakuumu. Ove značajke povezane su sa svojstvima medija i općenito ovise o frekvenciji elektromagnetskog vala. Električna i magnetska komponenta vala uzrokuju polarizaciju i magnetizaciju medija. Ovaj odgovor medija nije isti u slučaju niskih i visokih frekvencija. Pri niskoj frekvenciji elektromagnetskog vala, elektroni i ioni tvari imaju vremena reagirati na promjene u intenzitetu električnog i magnetskog polja. Odgovor medija prati vremenske fluktuacije u valove. Na visokoj frekvenciji, elektroni i ioni tvari nemaju vremena za pomak tijekom razdoblja osciliranja valnih polja, pa su polarizacija i magnetizacija medija mnogo manje.
Elektromagnetsko polje niske frekvencije ne prodire u metale, gdje ima mnogo slobodnih elektrona, koji se na taj način istisnu, potpuno gase elektromagnetski val. Elektromagnetski val počinje prodirati u metal na frekvenciji koja prelazi određenu frekvenciju, koja se naziva plazma frekvencija. Na frekvencijama nižim od frekvencije plazme, elektromagnetski val može prodrijeti u površinski sloj metala. Taj se fenomen naziva kožnim efektom.
U dielektricima se mijenja zakon disperzije elektromagnetskog vala. Ako se elektromagnetski valovi šire s konstantnom amplitudom u vakuumu, tada se u mediju raspadaju zbog apsorpcije. U tom slučaju energija vala se prenosi na elektrone ili ione medija. Ukupno, zakon disperzije u odsustvu magnetskih učinaka poprima oblik

Gdje je valni broj k ukupna kompleksna veličina, čiji imaginarni dio opisuje smanjenje amplitude elektromagnetskog vala, je kompleksna permitivnost medija ovisna o frekvenciji.
U anizotropnim medijima smjer vektora električnog i magnetskog polja nije nužno okomit na smjer širenja vala. Međutim, smjer vektora električne i magnetske indukcije zadržava ovo svojstvo.
U mediju se pod određenim uvjetima može širiti druga vrsta elektromagnetskog vala - uzdužni elektromagnetski val, za koji se smjer vektora jakosti električnog polja podudara sa smjerom širenja vala.
Početkom dvadesetog stoljeća, kako bi objasnio spektar zračenja crnog tijela, Max Planck je sugerirao da elektromagnetske valove emitiraju kvanti s energijom proporcionalnom frekvenciji. Nekoliko godina kasnije, Albert Einstein, objašnjavajući fenomen fotoelektričnog efekta, proširio je ovu ideju pretpostavkom da elektromagnetske valove apsorbiraju isti kvanti. Tako je postalo jasno da elektromagnetske valove karakteriziraju neka svojstva koja su se prije pripisivala materijalnim česticama, korpuskulama.
Ova ideja se naziva korpuskularno-valni dualizam.

Malo ljudi zna da elektromagnetsko zračenje prožima cijeli Svemir. Elektromagnetski valovi nastaju kada se šire u svemiru. Ovisno o frekvenciji valnih oscilacija, uvjetno se dijele na vidljivu svjetlost, radiofrekvencijski spektar, infracrvene opsege itd. Praktično postojanje elektromagnetskih valova empirijski je dokazao 1880. njemački znanstvenik G. Hertz (usput, frekvencija jedinica je nazvana po njemu).

Iz kolegija fizike zna se što je posebna vrsta materija. Unatoč činjenici da se samo mali dio može vidjeti pogledom, njegov učinak na materijalnog svijeta ogroman. Elektromagnetski valovi su sukcesivno širenje u prostoru interakcijskih vektora magnetskog i električnog polja. Međutim, riječ "distribucija" u ovom slučaju nije sasvim točna: radije govorimo o valnoj perturbaciji prostora. Razlog generiranja elektromagnetskih valova je pojava u prostoru električnog polja koje se mijenja tijekom vremena. I, kao što znate, postoji izravna veza između električnog i magnetskog polja. Dovoljno je prisjetiti se pravila prema kojem postoji magnetsko polje oko svakog vodiča sa strujom. Čestica na koju djeluju elektromagnetski valovi počinje oscilirati, a budući da postoji kretanje, znači da postoji zračenje energije. Električno polje w prenosi se na susjednu česticu koja miruje, kao rezultat toga, ponovno se stvara polje električne prirode. A budući da su polja međusobno povezana, slijedi magnetsko. Proces se širi poput lavine. U ovom slučaju nema pravog kretanja, ali postoje vibracije čestica.

O prilici praktična upotreba fizičari o tome već dugo razmišljaju. NA moderni svijet Energija elektromagnetskih valova toliko je rasprostranjena da je mnogi niti ne primjećuju, uzimajući je zdravo za gotovo. Upečatljiv primjer su radio valovi, bez kojih bi rad televizora i mobitela bio nemoguć.

Proces se odvija na sljedeći način: modulirani metalni vodič (antena) neprestano se prenosi na metalni vodič posebnog oblika.Zbog svojstava električne struje oko vodiča nastaje električno polje, a zatim magnetsko polje, kao npr. uslijed čega se emitiraju elektromagnetski valovi. Budući da je moduliran, oni nose određeni red, kodirane informacije. Za hvatanje željenih frekvencija kod primatelja se postavlja prijemna antena posebnog dizajna. Omogućuje odabir željenih frekvencija iz opće elektromagnetske pozadine. Kada se nađu na metalnom prijemniku, valovi se djelomično pretvaraju u struja originalna modulacija. Zatim odlaze do jedinice za pojačanje i kontroliraju rad uređaja (pomiču konus zvučnika, rotiraju elektrode na TV ekranima).

Lako se može vidjeti struja koja nastaje iz elektromagnetskih valova. Da biste to učinili, dovoljno je da goli stambeni kabel koji ide od antene do prijemnika dotakne ukupnu masu (baterije za grijanje. U ovom trenutku između mase i jezgre skoči iskra - to je manifestacija generirane struje antenom.Njegova vrijednost je veća, što je predajnik bliži i snažniji.Također konfiguracija antene ima značajan utjecaj.

Još jedna manifestacija elektromagnetskih valova s ​​kojom se mnogi ljudi svakodnevno susreću u svakodnevnom životu je korištenje mikrovalna pećnica. Rotirajuće linije jakosti polja prelaze predmet i prenose dio svoje energije, zagrijavajući ga.

Elektromagnetski valovi, prema fizici, spadaju među najtajanstvenije. U njima energija zapravo nestaje u nigdje, pojavljuje se niotkuda. Ne postoji drugi sličan predmet u cijeloj znanosti. Kako se događaju sve te čudesne transformacije?

Maxwellova elektrodinamika

Sve je počelo činjenicom da je znanstvenik Maxwell još 1865. godine, oslanjajući se na Faradayev rad, izveo jednadžbu elektromagnetskog polja. Sam Maxwell je vjerovao da njegove jednadžbe opisuju torziju i napetost valova u eteru. Dvadeset i tri godine kasnije, Hertz je eksperimentalno stvorio takve perturbacije u mediju i uspio ih ne samo uskladiti s jednadžbama elektrodinamike, već i dobiti zakone koji upravljaju širenjem tih perturbacija. Pojavila se neobična tendencija da se sve smetnje koje su elektromagnetske prirode proglase Hertzovim valovima. Međutim, ova zračenja nisu jedini način za prijenos energije.

Bežična veza

Do danas, do opcije implementacija takve bežične komunikacije uključuje:

Elektrostatička sprega, također nazvana kapacitivna;

indukcija;

Trenutno;

Teslina veza, odnosno veza valova elektronske gustoće duž vodljivih površina;

Najširi raspon najčešćih nositelja, koji se nazivaju elektromagnetski valovi - od ultra-niskih frekvencija do gama zračenja.

Vrijedno je detaljnije razmotriti ove vrste veza.

Elektrostatička veza

Dva dipola su spregnute električne sile u prostoru, što je posljedica Coulombovog zakona. Od elektromagnetskih valova dati tip komunikacija se odlikuje sposobnošću povezivanja dipola kada se nalaze na istoj liniji. S povećanjem udaljenosti jačina veze slabi, a uočava se i snažan utjecaj raznih smetnji.

induktivna sprega

Na temelju magnetskih lutajućih polja induktiviteta. Promatrano između objekata koji imaju induktivitet. Njegova je primjena prilično ograničena zbog djelovanja kratkog dometa.

Trenutni priključak

Zbog širenja struja u vodljivom mediju može doći do određene interakcije. Ako se struje prolaze kroz terminale (par kontakata), tada se te iste struje mogu detektirati na znatnoj udaljenosti od kontakata. To je ono što se zove učinak širenja struje.

Teslina veza

Poznati fizičar Nikola Tesla izumio je komunikaciju pomoću valova na vodljivoj površini. Ako se na nekom mjestu ravnine poremeti gustoća nosača naboja, tada će se ti nosači početi kretati, što će težiti uspostavljanju ravnoteže. Budući da nosači imaju inercijsku prirodu, oporavak ima valni karakter.

Elektromagnetska veza

Zračenje elektromagnetskih valova odlikuje se velikim djelovanjem dugog dometa, budući da je njihova amplituda obrnuto proporcionalna udaljenosti do izvora. Upravo se ova metoda bežične komunikacije najviše koristi. Ali što su elektromagnetski valovi? Prvo morate napraviti kratku digresiju u povijest njihova otkrića.

Kako su se "pojavili" elektromagnetski valovi?

Sve je počelo 1829. godine, kada je američki fizičar Henry u eksperimentima s Leydenskim staklenkama otkrio poremećaje u električnim pražnjenjima. Godine 1832. fizičar Faraday je sugerirao postojanje takvog procesa kao što su elektromagnetski valovi. Maxwell je stvorio svoje poznate jednadžbe elektromagnetizma 1865. godine. Krajem devetnaestog stoljeća bilo je mnogo uspješnih pokušaja stvaranja bežične komunikacije korištenjem elektrostatičke i elektromagnetske indukcije. Slavni izumitelj Edison smislio je sustav koji je dopuštao putnike željeznička pruga slati i primati telegrame dok se vlak kreće. G. Hertz je 1888. nedvojbeno dokazao da se elektromagnetski valovi pojavljuju pomoću uređaja koji se zove vibrator. Hertz je proveo eksperiment prijenosa elektromagnetskog signala na daljinu. Godine 1890. inženjer i fizičar Branly iz Francuske izumio je uređaj za snimanje elektromagnetska radijacija. Kasnije je ovaj uređaj nazvan "radio dirigent" (koherer). Nikola Tesla je 1891.-1893. opisao osnovne principe za provedbu prijenosa signala na velike udaljenosti i patentirao jarbolnu antenu, koja je bila izvor elektromagnetskih valova. Daljnje zasluge u proučavanju valova i tehničkoj provedbi njihove proizvodnje i primjene pripadaju poznatim fizičarima i izumiteljima kao što su Popov, Marconi, de Maur, Lodge, Mirhead i mnogi drugi.

Koncept "elektromagnetskog vala"

Elektromagnetski val je pojava koja se širi u prostoru određenom konačnom brzinom i predstavlja izmjenično električno i magnetsko polje. Budući da su magnetska i električna polja neraskidivo povezana jedno s drugim, tvore elektromagnetno polje. Također se može reći da je elektromagnetski val perturbacija polja, a tijekom njegovog širenja energija koju magnetsko polje ima pretvara se u energiju električnog polja i obrnuto, prema Maxwellovoj elektrodinamici. Izvana je to slično širenju bilo kojeg drugog vala u bilo kojem drugom mediju, ali postoje i značajne razlike.

Koja je razlika između elektromagnetskih valova i drugih?

Energija elektromagnetskih valova širi se u prilično nerazumljivom mediju. Za usporedbu ovih valova i bilo kojih drugih, potrebno je razumjeti koji je medij širenja u pitanju. Pretpostavlja se da je unutaratomski prostor ispunjen električnim eterom – specifičnim medijem, koji je apsolutni dielektrik. Svi valovi tijekom širenja pokazuju prijelaz kinetičke energije u potencijalnu i obrnuto. U isto vrijeme, te energije su pomaknule maksimum u vremenu i prostoru jedna u odnosu na drugu za jednu četvrtinu puno razdoblje valovi. U ovom slučaju, prosječna energija vala, kao zbroj potencijalne i kinetičke energije, je konstantna vrijednost. Ali s elektromagnetskim valovima situacija je drugačija. Energije magnetskog i električnog polja istovremeno dosežu svoje maksimalne vrijednosti.

Kako nastaje elektromagnetski val?

Materija elektromagnetskog vala je električno polje (eter). Pokretno polje je strukturirano i sastoji se od energije njegova kretanja i električna energija samo polje. Stoga je potencijalna energija vala povezana s kinetičkom energijom i u fazi je. Priroda elektromagnetskog vala je periodično električno polje koje je u stanju translacijskog gibanja u prostoru i kreće se brzinom svjetlosti.

Struje pomaka

Postoji još jedan način da se objasni što su elektromagnetski valovi. Pretpostavlja se da struje pomaka nastaju u eteru tijekom kretanja nehomogenih električnih polja. Nastaju, naravno, samo za stacionarnog vanjskog promatrača. U trenutku kada takav parametar kao što je jakost električnog polja dosegne svoj maksimum, struja pomaka u danoj točki prostora će se zaustaviti. Sukladno tome, pri minimalnoj napetosti dobiva se obrnuta slika. Ovaj pristup pojašnjava valnu prirodu elektromagnetskog zračenja, budući da se ispostavlja da je energija električnog polja pomaknuta za jednu četvrtinu perioda u odnosu na struje pomaka. Tada možemo reći da se električni poremećaj, odnosno energija smetnje, pretvara u energiju struje pomaka i obrnuto i širi se na valni način u dielektričnom mediju.