Mik azok az elektromágneses hullámok? Az elektromágneses hullám egy elektromágneses tér terjedésének folyamata a térben.

Az elektromágneses hullámok több éves vita és több ezer kísérlet eredménye. Bizonyíték a természeti eredetű erők jelenlétére, amelyek megfordíthatják a jelenlegi társadalmat. Ez egy egyszerű igazság tényleges elfogadása – túl keveset tudunk arról a világról, amelyben élünk.

A fizika a természettudományok királynője, nem csak az élet, hanem a világ eredetére vonatkozó kérdésekre is választ tud adni. Lehetővé teszi a tudósok számára az elektromos és mágneses mezők tanulmányozását, amelyek kölcsönhatása EMW-t (elektromágneses hullámokat) generál.

Mi az elektromágneses hullám

Nem is olyan régen megjelent hazánk képernyőjén az „Az áramlatok háborúja” (2018) című film, ahol egy kis fikcióval a két nagy tudós, Edison és Tesla vitájáról mesél. Az egyik megpróbált hasznot bizonyítani egyenáram, a másik - a változóból. Ez a hosszú csata csak a huszonegyedik század hetedik évében ért véget.

A „csata” legelején egy másik, a relativitáselméleten dolgozó tudós hasonló jelenségként írta le az elektromosságot és a mágnesességet.

A tizenkilencedik század harmincadik évében a fizikus angol származású Faraday fedezte fel a jelenséget elektromágneses indukcióés bevezette az elektromos és a mágneses tér egységének kifejezését. Azt is állította, hogy ezen a területen a mozgást a fénysebesség korlátozza.

Kicsit később Maxwell angol tudós elmélete azt mondta, hogy az elektromosság mágneses hatást vált ki, és a mágnesesség okozza a megjelenést. elektromos mező. Mivel mindkét mező térben és időben mozog, perturbációkat - azaz elektromágneses hullámokat - képeznek.

Egyszerűen fogalmazva, az elektromágneses hullám egy elektromos tér térbeli zavarása mágneses mező.

Kísérletileg az EMW létezését Hertz német tudós bizonyította.

Elektromágneses hullámok, tulajdonságaik és jellemzőik

Az elektromágneses hullámokat a következő tényezők jellemzik:

• hossz (elég széles tartomány);
• frekvencia;
• az intenzitás (vagy az oszcilláció amplitúdója);
• az energia mennyiségét.

Minden elektromágneses sugárzás alapvető tulajdonsága a hullámhossz nagysága (vákuumban), amelyet általában nanométerben adnak meg a látható fény spektrumához.

Minden nanométer a mikrométer ezredrészét képviseli, és két egymást követő csúcs (csúcs) közötti távolság méri.

Egy hullám megfelelő sugárzási frekvenciája a szinuszos rezgések száma, és fordítottan arányos a hullámhosszal.

A frekvenciát általában Hertzben mérik. Így a hosszabb hullámhosszok alacsonyabb sugárzási frekvenciának, a rövidebb hullámhosszak pedig magasabb sugárzási frekvenciának felelnek meg.

A hullámok fő tulajdonságai:

• fénytörés;
• visszaverődés;
• abszorpció;
• interferencia.

elektromágneses hullám sebessége

Az elektromágneses hullám tényleges terjedési sebessége a közeg anyagától, optikai sűrűségétől és olyan tényezőtől függ, mint a nyomás.

Kívül, különféle anyagok Különböző sűrűségű atomok "csomagolása" van, minél közelebb helyezkednek el, annál kisebb a távolság és annál nagyobb a sebesség. Ennek eredményeként az elektromágneses hullám sebessége attól az anyagtól függ, amelyen keresztül halad.

Hasonló kísérleteket végeznek a hadronütköztetőben is, ahol a fő befolyásoló eszköz egy töltött részecske. Tanulmány a elektromágneses jelenségek ott kvantum szinten történik, amikor a fény apró részecskékre - fotonokra - bomlik. De a kvantumfizika az egy külön kérdés.

A relativitáselmélet szerint a hullám legnagyobb terjedési sebessége nem haladhatja meg a fény sebességét. Maxwell írta le írásaiban a sebességkorlátozás végességét, és ezt egy új mező - az éter - jelenlétével magyarázta. A modern hivatalos tudomány még nem vizsgált ilyen összefüggést.

Az elektromágneses sugárzás és fajtái

Az elektromágneses sugárzás elektromágneses hullámokból áll, amelyeket az elektromos és mágneses mezők ingadozásaként figyelnek meg, és amelyek fénysebességgel (vákuumban 300 km/s) terjednek.

Amikor az EM sugárzás kölcsönhatásba lép az anyaggal, viselkedése minőségileg változik a frekvencia változásával. Miért van átalakítva:

1. Rádiókibocsátás. A rádiófrekvenciákon és a mikrohullámú frekvenciákon az em-sugárzás kölcsönhatásba lép az anyaggal, főként egy közös töltéskészlet formájában, amelyek eloszlanak egy nagy számérintett atomok.
2. Infravörös sugárzás. Az alacsony frekvenciájú rádió- és mikrohullámú sugárzástól eltérően az infravörös sugárzó általában kölcsönhatásba lép az egyes molekulákban jelenlévő dipólusokkal, amelyek rezgésük során a végén megváltoznak. kémiai kötés atomi szinten.
3. Látható fénykibocsátás. A látható tartományban a frekvencia növekedésével a fotonok elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy megváltoztassák egyes molekulák kötött szerkezetét.
4. Ultraibolya sugárzás. A gyakoriság növekszik. Jelenleg elegendő energia van az ultraibolya fotonokban (több mint három volt) ahhoz, hogy kétszeresen hatjanak a molekulák kötéseire, folyamatosan kémiailag átrendezve azokat.
5. Ionizáló sugárzás. A legmagasabb frekvencián és a legkisebb hullámhosszon. Ezeknek a sugaraknak az anyag általi elnyelése a teljes gamma-spektrumot érinti. A leghíresebb hatás a sugárzás.

Mi az elektromágneses hullámok forrása

A világ – a mindennek eredetének fiatal elmélete szerint – egy impulzus hatására keletkezett. Kolosszális energiát szabadított fel, amit nagy robbanásnak neveztek. Így jelent meg az első em-hullám a világegyetem történetében.

Jelenleg a zavarok kialakulásának forrásai a következők:

• az emv mesterséges vibrátort bocsát ki;
• atomcsoportok vagy molekularészek rezgésének eredménye;
• ha van rá hatása külső burok anyagok (atomi-molekuláris szinten);
• a fényhez hasonló hatás;
• a nukleáris bomlás során;
• az elektronlassulás következménye.

Az elektromágneses sugárzás mértéke és alkalmazása

A sugárzási skála a hullámfrekvencia széles tartományát jelenti 3·10 6 ÷10 -2 és 10 -9 ÷ 10 -14 között.

Az elektromágneses spektrum minden részének széles skálája van mindennapi életünkben:

1. Kis hosszúságú hullámok (mikrohullámok). Ezeket az elektromos hullámokat műholdjelként használják, mert képesek megkerülni a Föld légkörét. Ezenkívül egy kissé továbbfejlesztett változatot használnak a konyhában történő fűtéshez és főzéshez - ez egy mikrohullámú sütő. Az előkészítés elve egyszerű - akció alatt mikrohullámú sugárzás A vízmolekulák felszívódnak és felgyorsulnak, amitől az edény felmelegszik.
2. A rádiótechnológiákban hosszú perturbációkat alkalmaznak (rádióhullámok). Frekvenciájuk nem engedi át a felhőket és a légkört, ennek köszönhetően az FM rádió és a televízió is elérhető számunkra.
3. Az infravörös zavar közvetlenül összefügg a hővel. Szinte lehetetlen látni őt. Speciális felszerelés nélkül próbálja meg észrevenni az autóban lévő TV, zeneközpont vagy rádió távirányítójának sugarát. Az ilyen hullámok leolvasására alkalmas eszközöket országok hadseregében használják (éjjellátó készülék). Konyhák indukciós tűzhelyein is.
4. Az ultraibolya a hővel is összefügg. Az ilyen sugárzás legerősebb természetes "generátora" a nap. Az ultraibolya sugárzás hatására barnulás képződik az ember bőrén. Az orvostudományban ezt a hullámtípust műszerek fertőtlenítésére, baktériumok elpusztítására és.
5. A gamma-sugarak a sugárzás legerősebb fajtája, amelyben nagy frekvenciájú rövidhullámú zavarok koncentrálódnak. Az elektromágneses spektrum ezen részében található energia nagyobb áthatolóerőt ad a sugaraknak. ben alkalmazható magfizika- békés, nukleáris fegyverek - harci felhasználás.

Az elektromágneses hullámok hatása az emberi egészségre

Az emv emberre gyakorolt ​​hatásának mérése a tudósok feladata. De nem kell szakembernek lennie az ionizáló sugárzás intenzitásának felméréséhez - változásokat vált ki az emberi DNS szintjén, ami olyan súlyos betegségeket von maga után, mint az onkológia.

Nem csoda, hogy a csernobili katasztrófa káros hatásait a természetre nézve az egyik legveszélyesebbnek tartják. Az egykor gyönyörű terület több négyzetkilométere a teljes kizárás övezetévé vált. A század végéig veszélyes egy robbanás a csernobili atomerőműben, amíg a radionuklidok felezési ideje véget nem ér.

Az emv bizonyos típusai (rádió, infravörös, ultraibolya) nem okoznak nagy kárt az emberben, és csak kellemetlenséget okoznak. Hiszen a föld mágneses terét gyakorlatilag nem mi érezzük, hanem az emv-t mobiltelefon okozhat fejfájás(idegrendszerre gyakorolt ​​hatás).

Annak érdekében, hogy megóvja egészségét az elektromágnesességtől, egyszerűen csak ésszerű óvintézkedéseket kell tennie. Ahelyett, hogy több száz órát játszana számítógépes játékkal, menjen el sétálni.

1864-ben James Clerk Maxwell megjósolta az elektromágneses hullámok létezésének lehetőségét az űrben. Ezt az állítást az elektromosságra és a mágnesességre vonatkozóan akkor ismert összes kísérleti adat elemzéséből levont következtetésekre alapozva terjesztette elő.

Maxwell matematikailag egyesítette az elektrodinamika törvényeit azáltal, hogy összekapcsolta az elektromos és mágneses jelenségek, és így arra a következtetésre jutott, hogy az időben változó elektromos és mágneses mezők egymást váltják ki.

Kezdetben azt a tényt hangsúlyozta, hogy a kapcsolat a mágneses és elektromos jelenségek nem szimmetrikus, és bevezette az „örvény” kifejezést elektromos mező”, amely a Faraday által felfedezett elektromágneses indukció jelenségének saját, valóban új magyarázatát kínálja: „a mágneses tér minden változása egy zárt örvényvillamos tér megjelenéséhez vezet a környező térben. erővonalak».

Maxwell szerint igazságos volt az a fordított állítás, hogy "a változó elektromos mező mágneses teret hoz létre a környező térben", de ez az állítás először csak hipotézis maradt.

Maxwell felírt egy matematikai egyenletrendszert, amely következetesen írja le a mágneses és elektromos mezők kölcsönös átalakulásának törvényeit, ezek az egyenletek később az elektrodinamika alapegyenleteivé váltak, és "Maxwell-egyenletek" néven váltak ismertté a nagy tudós tiszteletére, aki lejegyezte őket. . Maxwell hipotézise az írott egyenletek alapján számos, a tudomány és a technológia számára rendkívül fontos következtetést tartalmazott, amelyeket az alábbiakban közölünk.

Az elektromágneses hullámok valóban léteznek

A térben transzverzális elektromágneses hullámok létezhetnek, amelyek idővel terjednek. A hullámok keresztirányú jellegét jelzi, hogy a B mágneses indukció és az E elektromos térerősség vektorai egymásra merőlegesek, és mindkettő egy elektromágneses hullám terjedési irányára merőleges síkban fekszik.

Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége az anyagban véges, és azt az elektromos ill mágneses tulajdonságok anyag, amelyen keresztül a hullám terjed. Ebben az esetben a λ szinuszos hullám hossza egy bizonyos λ = υ / f pontos összefüggésben van összefüggésben a υ sebességgel, és függ a térrezgések f frekvenciájától. Az elektromágneses hullám c sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó - a fény sebessége vákuumban.

Mivel Maxwell deklarálta az elektromágneses hullám terjedési sebességének végességét, ez ellentmondást teremtett hipotézise és az akkoriban elfogadott hosszú távú elmélet között, mely szerint a hullámok terjedési sebességének végtelennek kellett volna lennie. Maxwell elméletét ezért a rövid távú cselekvés elméletének nevezték.

Az elektromágneses hullámban az elektromos és a mágneses mező egymásba való átalakulása egyszerre megy végbe, ezért a mágneses energia térfogatsűrűségei ill. elektromos energia egyenlők egymással. Ezért igaz az az állítás, hogy az elektromos térerősség és a mágneses tér indukció moduljait a tér minden pontjában a következő kapcsolat köti össze:

elektromágneses hullám terjesztése során folyamot hoz létre elektromágneses energia, és ha a hullámterjedés irányára merőleges síkban lévő területet tekintjük, akkor rövid időn belül bizonyos mennyiségű elektromágneses energia fog áthaladni rajta. Az elektromágneses energia fluxussűrűsége az az energiamennyiség, amelyet egy elektromágneses hullám visz át egységnyi terület felületén egységnyi idő alatt. A sebesség, valamint a mágneses és elektromos energia értékeinek helyettesítésével megkaphatjuk a fluxussűrűség kifejezését az E és B mennyiségekben.

Mivel a hullámenergia terjedésének iránya egybeesik a hullám terjedési sebességének irányával, az elektromágneses hullámban terjedő energiafluxus a hullámterjedési sebességgel azonos irányú vektorral adható meg. Ezt a vektort "Poynting vektornak" nevezik - tiszteletére brit fizikus Henry Poynting, aki 1884-ben kidolgozta az elektromágneses tér energiaáramlásának terjedésének elméletét. A hullámenergia fluxussűrűségét W/nm-ben mérik.

Amikor elektromos tér hat egy anyagra, kis áramok jelennek meg benne, amelyek elektromosan töltött részecskék rendezett mozgása. Ezek az áramok az elektromágneses hullám mágneses mezőjében az Amper-erő hatásának vannak kitéve, amely mélyen az anyagba irányul. Amper erejét, és ennek eredményeként nyomást generál.

Ezt a jelenséget később, 1900-ban Pjotr ​​Nyikolajevics Lebegyev orosz fizikus vizsgálta és kísérletileg megerősítette, akinek kísérleti munkája nagyon fontos volt Maxwell elektromágnesesség-elméletének megerősítéséhez, valamint a jövőbeni elfogadásához és jóváhagyásához.

Az a tény, hogy egy elektromágneses hullám nyomást fejt ki, lehetővé teszi egy mechanikai impulzus jelenlétének elektromágneses térben való megítélését, amely egységnyi térfogatra az elektromágneses energia térfogatsűrűségével és a vákuumban történő hullámterjedés sebességével fejezhető ki:

Mivel az impulzus a tömeg mozgásához kapcsolódik, bevezethető egy olyan koncepció, mint az elektromágneses tömeg, majd egységnyi térfogatra ez az arány (az SRT-nek megfelelően) egyetemes természettörvény jellegét veszi fel, és minden anyagi testre érvényes, az anyag formájától függetlenül. És az elektromágneses tér ilyenkor rokon egy anyagi testtel – W energiája, tömege m, impulzusa p és véges v terjedési sebessége. Vagyis az elektromágneses tér a természetben ténylegesen létező anyagformák egyike.

1888-ban először Heinrich Hertz erősítette meg kísérletileg Maxwell elektromágneses elméletét. Empirikusan bizonyította az elektromágneses hullámok valóságát, és olyan tulajdonságaikat tanulmányozta, mint a fénytörés és abszorpció különböző közegekben, valamint a hullámok fémfelületekről való visszaverődése.

Hertz megmérte a hullámhosszt, és kimutatta, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével. Hertz kísérleti munkája volt az utolsó lépés Maxwell elektromágneses elméletének elismerése felé. Hét évvel később, 1895-ben Alekszandr Sztepanovics Popov orosz fizikus elektromágneses hullámokat használt a vezeték nélküli kommunikáció létrehozására.

Az egyenáramú áramkörökben a töltések állandó sebességgel mozognak, és az elektromágneses hullámok ebben az esetben nem sugároznak ki a térbe. A sugárzás létrejöttéhez olyan antennát kell használni, amelyben váltakozó áramok, azaz olyan áramok gerjesztődnek, amelyek gyorsan változtatják irányukat.

A legegyszerűbb formájában az elektromos dipólus alkalmas elektromágneses hullámok kibocsátására. kis méret, amelynek dipólusmomentuma az idő múlásával gyorsan változna. Ez egy ilyen dipólus, amelyet ma "Hertzi-dipólnak" neveznek, és mérete többszöröse az általa kibocsátott hullámhossznak.

Ha egy Hertzi-dipólus bocsát ki, maximális áramlás elektromágneses energia a dipólus tengelyére merőleges síkra esik. A dipólustengely mentén nem bocsátanak ki elektromágneses energiát. A Hertz legfontosabb kísérleteiben elemi dipólusokat használtak elektromágneses hullámok kibocsátására és vételére egyaránt, és igazolták az elektromágneses hullámok létezését.

M. Faraday bemutatta a mező fogalmát:

elektrosztatikus tér nyugalmi töltés körül

mozgó töltések (áram) körül mágneses tér van.

M. Faraday 1830-ban fedezte fel az elektromágneses indukció jelenségét: amikor a mágneses tér megváltozik, örvény elektromos tér keletkezik.

2.7 ábra – Vortex elektromos tér

ahol,
- elektromos térerősség vektor,
- a mágneses indukció vektora.

A váltakozó mágneses tér örvényszerű elektromos mezőt hoz létre.

1862-ben D.K. Maxwell hipotézist terjesztett elő: amikor az elektromos tér megváltozik, örvénymágneses tér keletkezik.

Felmerült az egyetlen elektromágneses mező ötlete.

2.8 ábra – Egységes elektromágneses tér.

A váltakozó elektromos tér örvényszerű mágneses teret hoz létre.

Elektromágneses mező- ez az anyag különleges formája - elektromos és mágneses mezők kombinációja. A változó elektromos és mágneses mezők egyidejűleg léteznek, és egyetlen elektromágneses mezőt alkotnak. Ez anyag:

Nyugalmi és mozgó töltéseken egyaránt cselekvésben nyilvánul meg;

Nagy, de véges sebességgel terjed;

Akaratunktól és vágyainktól függetlenül létezik.

Töltési sebesség mellett, nulla, csak elektromos tér van. Állandó töltési sebesség mellett elektromágneses mező keletkezik.

A töltés felgyorsult mozgásával elektromágneses hullám bocsát ki, amely véges sebességgel terjed a térben .

Az elektromágneses hullámok ötletének kidolgozása Maxwellé, de Faraday már tudott létezésükről, bár félt kiadni a művet (több mint 100 évvel halála után olvasták).

Az elektromágneses hullám kialakulásának fő feltétele az elektromos töltések felgyorsult mozgása.

Mi az elektromágneses hullám, könnyen elképzelhető a következő példa. Ha egy kavicsot dob ​​a víz felszínére, akkor a felszínen körökben széttartó hullámok keletkeznek. Előfordulásuk (perturbáció) forrásától bizonyos terjedési sebességgel mozognak. Az elektromágneses hullámok esetében a zavarok a térben mozgó elektromos és mágneses mezők. Az időben változó elektromágneses tér szükségszerűen váltakozó mágneses teret okoz, és fordítva. Ezek a mezők összefüggenek egymással.

Az elektromágneses hullámok spektrumának fő forrása a Napcsillag. Az elektromágneses hullámok spektrumának egy része az emberi szemet látja. Ez a spektrum 380...780 nm-en belül van (2.1. ábra). A látható spektrumban a szem másképp érzékeli a fényt. A különböző hullámhosszú elektromágneses rezgések különböző színű fény érzetét keltik.

2.9. ábra - Elektromágneses hullámok spektruma

Az elektromágneses hullámok spektrumának egy részét rádió- és televízióműsorszórásra és kommunikációra használják. Az elektromágneses hullámok forrása egy vezeték (antenna), amelyben rezgés lép fel elektromos töltések. A mezők kialakulásának folyamata, amely a vezeték közelében kezdődött, fokozatosan, pontról pontra lefoglalja az egész teret. Minél magasabb a frekvencia váltakozó áramáthaladva a vezetéken és elektromos vagy mágneses teret hozva létre, annál intenzívebbek a vezeték által keltett adott hosszúságú rádióhullámok.

Rádió(lat. rádió - bocsát ki, bocsát ki sugarakat ← sugár - nyaláb) - a vezeték nélküli kommunikáció olyan fajtája, amelyben a térben szabadon terjedő rádióhullámokat jelhordozóként használják.

rádióhullámok(rádióból...), 500 µm-nél nagyobb hullámhosszú elektromágneses hullámok (frekvencia)< 6×10 12 Гц).

A rádióhullámok elektromos és mágneses mezők, amelyek idővel változnak. A rádióhullámok terjedési sebessége a szabad térben 300 000 km/s. Ez alapján meghatározhatja a rádióhullám hosszát (m).

λ=300/f, ahol f - frekvencia (MHz)

A telefonbeszélgetés során keletkező levegő hangrezgéseit mikrofon alakítja át hangfrekvenciás elektromos rezgésekké, melyeket vezetékek továbbítanak az előfizető berendezésébe. Ott, a vonal másik végén a telefon kibocsátójának segítségével az előfizető által hangként érzékelt levegőrezgéssé alakítják át. A telefonálásban a kommunikáció eszközei a vezetékek, a rádióműsorszórásban a rádióhullámok.

Bármely rádióállomás adójának "szíve" egy generátor - egy olyan eszköz, amely magas, de szigorúan állandó frekvenciájú rezgéseket generál egy adott rádióállomás számára. Ezek a rádiófrekvenciás rezgések a szükséges teljesítményre felerősítve belépnek az antennába, és a környező térben pontosan azonos frekvenciájú elektromágneses rezgéseket - rádióhullámokat - gerjesztenek. A rádióhullámok eltávolításának sebessége a rádióállomás antennájáról megegyezik a fény sebességével: 300 000 km / s, ami csaknem milliószor gyorsabb, mint a hang terjedése a levegőben. Ez azt jelenti, hogy ha egy adót egy adott időpontban bekapcsolnának a Moszkvai Műsorszóró Állomáson, akkor annak rádióhullámai kevesebb, mint 1/30 s alatt elérnék Vlagyivosztokot, és a hangnak ezalatt csak 10-10-ig lenne ideje terjedni. 11 m.

A rádióhullámok nemcsak a levegőben terjednek, hanem ott is, ahol nincs, például a világűrben. Ebben különböznek hang hullámok, amelyhez levegő vagy más sűrű közeg, például víz feltétlenül szükséges.

elektromágneses hullám egy térben terjedő elektromágneses tér (vektorok rezgései
). A töltés közelében az elektromos és a mágneses tér p/2 fáziseltolással változik.

2.10. ábra – Egységes elektromágneses tér.

A töltéstől nagy távolságban az elektromos és a mágneses mező fázisban változik.

2.11. ábra - Az elektromos és mágneses mezők fázisbeli változása.

Az elektromágneses hullám keresztirányú. Az elektromágneses hullám sebességének iránya egybeesik a jobb oldali csavar mozgási irányával a vektoros karmantyú elforgatásakor a vektorhoz .

2.12. ábra – Elektromágneses hullám.

Sőt, egy elektromágneses hullámban az összefüggés
, ahol c a fény sebessége vákuumban.

Maxwell elméletileg kiszámította az elektromágneses hullámok energiáját és sebességét.

Ily módon a hullámenergia egyenesen arányos a frekvencia negyedik hatványával. Ez azt jelenti, hogy a hullám könnyebb rögzítéséhez magas frekvenciájúnak kell lennie.

Az elektromágneses hullámokat G. Hertz (1887) fedezte fel.

A zárt rezgőkör nem sugároz elektromágneses hullámokat: a kondenzátor elektromos mezőjének teljes energiája a tekercs mágneses terének energiájává alakul. Az oszcillációs frekvenciát az oszcillációs áramkör paraméterei határozzák meg:
.

2.13. ábra – Oszcillációs áramkör.

A frekvencia növeléséhez L és C csökkentése szükséges, azaz. fordítsa a tekercset egyenes vezetékre, és mint
, csökkentse a tányérok területét és terítse el a maximális távolságra. Ez azt mutatja, hogy lényegében egy egyenes vezetőt kapunk.

Az ilyen eszközt Hertz vibrátornak nevezik. A közepe le van vágva és egy nagyfrekvenciás transzformátorhoz csatlakozik. A vezetékek végei között, amelyeken kis gömb alakú vezetők vannak rögzítve, elektromos szikra ugrik, amely az elektromágneses hullám forrása. A hullám úgy terjed, hogy az elektromos térerősség-vektor abban a síkban oszcillál, amelyben a vezető található.

2.14 ábra - Hertz vibrátor.

Ha ugyanazt a vezetőt (antennát) párhuzamosan helyezzük el az emitterrel, akkor a benne lévő töltések oszcillálni fognak, és gyenge szikrák ugrálnak a vezetők között.

Hertz elektromágneses hullámokat fedezett fel egy kísérletben, és megmérte a sebességüket, amely egybeesett a Maxwell által kiszámított értékkel, és egyenlő c=3-mal. 10 8 m/s.

A váltakozó elektromos tér váltakozó mágneses teret hoz létre, amely viszont váltakozó elektromos teret hoz létre, vagyis az egyik mezőt gerjesztő antenna egyetlen elektromágneses mező megjelenését okozza. Ennek a mezőnek a legfontosabb tulajdonsága, hogy elektromágneses hullámok formájában terjed.

Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége veszteségmentes közegben a közeg viszonylagos dielektromos és mágneses permeabilitásának függvénye. Levegő esetén a közeg mágneses permeabilitása eggyel egyenlő, ezért az elektromágneses hullámok terjedési sebessége ebben az esetben megegyezik a fény sebességével.

Az antenna lehet függőleges vezeték, amelyet nagyfrekvenciás generátor táplál. A generátor energiát fordít a szabad elektronok mozgásának felgyorsítására a vezetőben, és ez az energia váltakozó elektromágneses mezővé, azaz elektromágneses hullámokká alakul. Minél nagyobb a generátor áramfrekvenciája, annál gyorsabban változik az elektromágneses tér és annál intenzívebb a hullámgyógyulás.

Az antennavezetékhez egy elektromos tér is kapcsolódik, melynek erővonalai pozitív töltésnél kezdődnek és negatív töltéseknél végződnek, valamint egy mágneses tér, melynek vonalai a vezeték árama körül záródnak. Minél rövidebb az oszcillációs periódus, annál kevesebb idő marad a kötött mezők energiájának visszatérésére a vezetékbe (vagyis a generátorba), és annál több szabad terekbe megy át, amelyek elektromágneses hullámok formájában terjednek tovább. Az elektromágneses hullámok hatékony kisugárzása a hullámhossz és a sugárzó huzal hosszának összemérhetősége mellett jön létre.

Így megállapítható, hogy Rádió hullám- ez egy elektromágneses mező, amely nem kapcsolódik az emitterhez és a csatornaképző eszközökhöz, és szabadon terjed a térben hullám formájában, 10 -3 és 10 12 Hz közötti rezgési frekvenciájú.

Az elektronok oszcillációit az antennában egy periodikusan változó EMF-forrás hozza létre, periódussal T. Ha egy pillanatban az antenna mezőjének maximális értéke volt, akkor egy idő után ugyanaz lesz T. Ezalatt az antennánál a kezdeti pillanatban létező elektromágneses mező távolabbra kerül

λ = υТ (1)

A tér két olyan pontja közötti minimális távolságot nevezzük, ahol a mező azonos értékű hullámhossz. Amint az (1)-ből következik, a hullámhossz λ terjedésének sebességétől és az antennában az elektronoszcilláció periódusától függ. Mivel frekvencia jelenlegi f = 1/T, majd a hullámhossz λ = υ / f .

A rádiókapcsolat a következő fő részeket tartalmazza:

Adó

Vevő

A közeg, amelyben a rádióhullámok terjednek.

Az adó és a vevő a rádiókapcsolat vezérelhető elemei, mivel lehetőség van az adóteljesítmény növelésére, hatékonyabb antenna csatlakoztatására, valamint a vevő érzékenységének növelésére. A közeg a rádiókapcsolat ellenőrizetlen eleme.

A rádiós kommunikációs vonal és a vezetékes vonal közötti különbség az, hogy a vezetékes vonalak vezetékeket vagy kábeleket használnak összekötő linkként, amelyek vezérelt elemek (az elektromos paramétereik megváltoztathatók).

Az elektromágneses hullámok a fizika szerint a legtitokzatosabbak közé tartoznak. Bennük az energia valójában eltűnik a semmibe, megjelenik a semmiből. Nincs más hasonló tárgy az egész tudományban. Hogyan mennek végbe ezek a csodálatos átalakulások?

Maxwell elektrodinamika

Az egész azzal kezdődött, hogy Maxwell tudós 1865-ben Faraday munkájára támaszkodva levezette az elektromágneses mező egyenletét. Maga Maxwell úgy gondolta, hogy egyenletei leírják a hullámok csavarodását és feszültségét az éterben. Huszonhárom évvel később Hertz kísérleti úton hozott létre ilyen perturbációkat a közegben, és nemcsak az elektrodinamikai egyenletekkel sikerült összeegyeztetnie őket, hanem megszerezte a zavarok terjedését szabályozó törvényeket is. Felmerült az a furcsa tendencia, hogy minden elektromágneses természetű perturbációt Hertzi-hullámnak nyilvánítanak. Ezek a sugárzások azonban nem az egyetlen módja az energiaátvitelnek.

Vezetéknélküli kapcsolat

A mai napig, a opciók Az ilyen vezeték nélküli kommunikáció megvalósítása a következőket tartalmazza:

Elektrosztatikus csatolás, más néven kapacitív;

indukció;

jelenlegi;

Tesla-kapcsolat, vagyis az elektronsűrűség-hullámok összekapcsolása vezető felületek mentén;

A legelterjedtebb hordozók, amelyeket elektromágneses hullámoknak neveznek - az ultra-alacsony frekvenciáktól a gamma-sugárzásig.

Az ilyen típusú kapcsolatokat érdemes részletesebben is megvizsgálni.

Elektrosztatikus kötés

A két dipólus összekapcsolt elektromos erő a térben, ami a Coulomb-törvény következménye. Az elektromágneses hullámoktól adott típus A kommunikációt a dipólusok összekapcsolásának képessége különbözteti meg, ha ugyanazon a vonalon helyezkednek el. A távolságok növekedésével a kapcsolat erőssége gyengül, és a különféle zavarok erős hatása is megfigyelhető.

induktív csatolás

Mágneses szórt induktivitásmezők alapján. Induktivitású objektumok között megfigyelhető. Alkalmazása a rövid hatótávolság miatt meglehetősen korlátozott.

Jelenlegi kapcsolat

A vezető közegben terjedő áramok miatt bizonyos kölcsönhatás léphet fel. Ha áramot vezetnek át a kivezetéseken (érintkezőpáron), akkor ugyanezek az áramok az érintkezőktől jelentős távolságban is észlelhetők. Ezt hívják az áramszórás hatásának.

Tesla kapcsolat

Nikola Tesla híres fizikus találta fel a kommunikációt vezető felületen lévő hullámok segítségével. Ha a sík valamely helyén megzavarják a töltéshordozó sűrűségét, akkor ezek a hordozók elkezdenek mozogni, ami visszaállítja az egyensúlyt. Mivel a hordozók inerciális jellegűek, a helyreállítás hullám jellegű.

Elektromágneses csatlakozás

Az elektromágneses hullámok sugárzását hatalmas nagy hatótávolságú hatás jellemzi, mivel amplitúdójuk fordítottan arányos a forrás távolságával. Ez a vezeték nélküli kommunikációs módszer a legszélesebb körben alkalmazott. De mik is azok az elektromágneses hullámok? Először egy rövid kitérőt kell tennie felfedezésük történetébe.

Hogyan "megjelennek" az elektromágneses hullámok?

Az egész 1829-ben kezdődött, amikor az amerikai fizikus, Henry felfedezte az elektromos kisülések zavarait Leyden tégelyekkel végzett kísérletei során. 1832-ben Faraday fizikus egy olyan folyamat létezését javasolta, mint az elektromágneses hullámok. Maxwell 1865-ben alkotta meg híres elektromágnesességi egyenleteit. A tizenkilencedik század végén számos sikeres kísérlet történt vezeték nélküli kommunikáció létrehozására elektrosztatikus és elektromágneses indukció. A híres feltaláló, Edison olyan rendszert dolgozott ki, amely lehetővé tette az utasokat vasúti táviratokat küldeni és fogadni, miközben a vonat halad. 1888-ban G. Hertz egyértelműen bebizonyította, hogy az elektromágneses hullámok egy vibrátornak nevezett eszköz segítségével jelennek meg. Hertz kísérletet végzett az elektromágneses jelek távolságon keresztüli továbbítására. 1890-ben Branly francia mérnök és fizikus feltalált egy készüléket az elektromágneses sugárzás rögzítésére. Később ezt az eszközt "rádióvezetőnek" (koherernek) nevezték el. 1891-1893-ban Nikola Tesla leírta a nagy távolságokra történő jelátvitel megvalósításának alapelveit, és szabadalmaztatott egy árbocantennát, amely elektromágneses hullámok forrása volt. További érdemek a hullámok tanulmányozása, valamint előállításuk és alkalmazásuk technikai megvalósítása terén olyan híres fizikusok és feltalálók, mint Popov, Marconi, de Maur, Lodge, Mirhead és még sokan mások.

Az "elektromágneses hullám" fogalma

Az elektromágneses hullám olyan jelenség, amely a térben meghatározott véges sebességgel terjed, és váltakozó elektromos és mágneses tér. Mivel a mágneses és az elektromos mezők elválaszthatatlanul kapcsolódnak egymáshoz, elektromágneses mezőt alkotnak. Azt is mondhatjuk, hogy az elektromágneses hullám a tér perturbációja, és terjedése során a mágneses tér energiája átalakul az elektromos tér energiájává és fordítva, Maxwell elektrodinamikája szerint. Külsőleg ez hasonló bármely más hullám terjedéséhez bármely más közegben, de vannak jelentős különbségek is.

Mi a különbség az elektromágneses hullámok és mások között?

Az elektromágneses hullámok energiája meglehetősen érthetetlen közegben terjed. Ezen hullámok és más hullámok összehasonlításához meg kell érteni, milyen terjedési közeget kérdéses. Feltételezzük, hogy az atomon belüli teret elektromos éter tölti meg - egy meghatározott közeg, amely abszolút dielektrikum. A terjedés során minden hullám a kinetikus energia átalakulását mutatja potenciális energiává és fordítva. Ugyanakkor ezek az energiák térben és időben a maximumot eltolták egymáshoz képest egynegyedével teljes időszak hullámok. Ebben az esetben az átlagos hullámenergia, amely a potenciál és a potenciál összege kinetikus energia egy állandó. Az elektromágneses hullámokkal azonban más a helyzet. A mágneses és az elektromos mező energiája egyszerre éri el maximális értékét.

Hogyan jön létre az elektromágneses hullám?

Az elektromágneses hullám anyaga elektromos tér (éter). A mozgó mező strukturált, mozgásának energiájából és magának a mezőnek az elektromos energiájából áll. Ezért helyzeti energia a kinetikai és az in-fázishoz kapcsolódó hullámok. Az elektromágneses hullám természete egy periodikus elektromos tér, amely állapotban van előre mozgás térben és együtt mozogva a fény sebessége.

Eltolási áramok

Van egy másik módszer az elektromágneses hullámok magyarázatára. Feltételezzük, hogy az éterben inhomogén elektromos mezők mozgása során elmozduló áramok keletkeznek. Természetesen csak egy álló külső szemlélő számára merülnek fel. Abban a pillanatban, amikor egy olyan paraméter, mint az elektromos térerősség eléri a maximumát, a tér adott pontjában az elmozdulási áram leáll. Ennek megfelelően minimális feszültség mellett fordított képet kapunk. Ez a megközelítés tisztázza a hullám természetét elektromágneses sugárzás, mivel az elektromos tér energiája a periódus egynegyedével eltolódik az elmozduló áramokhoz képest. Ekkor azt mondhatjuk, hogy az elektromos zavar, pontosabban a zavar energiája átalakul az eltolóáram energiájává és fordítva, és hullámszerűen terjed egy dielektromos közegben.