Az elektromágneses hullámok és eloszlásuk. elektromágneses hullám

M. Faraday bemutatta a mező fogalmát:

elektrosztatikus mező nyugalmi töltés körül

mozgó töltések (áram) körül mágneses tér van.

1830-ban M. Faraday fedezte fel a jelenséget elektromágneses indukció: amikor megváltozik mágneses mezőörvény van elektromos mező.

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 változik elektromos mezőörvény mágneses tér jön létre.

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 hullámot bocsátanak ki, amely véges sebességgel terjed a térben .

Az elektromágneses hullámok ötletének kidolgozása Maxwellhez tartozik, de Faraday már tudott létezésükről, bár félt a mű közzétételétől (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 rádiós és televíziós műsorszórás, valamint kommunikációs célokra 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 generálva, 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 rádióállomás antennájáról a rádióhullámok eltávolításának sebessége megegyezik a fény sebességével: 300 000 km / s, ami majdnem egymilliószor gyorsabb, mint a hang levegőben történő terjedése. 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 ezalatt a hangnak 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 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 elfordításakor 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 fedezte fel (1887).

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 közepét levágják és egy nagyfrekvenciás transzformátorhoz csatlakoztatják. 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 tér megjelenését okozza. elektromágneses mező. 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 egy 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 antennák elektromos mezőként csatlakoznak a vezetékhez, erővonalak amely pozitív töltésekkel kezdődik és negatív töltésekkel végződik, valamint a mágneses tér, amelynek vonalai a vezeték árama körül záródnak. Minél rövidebb az oszcillációs periódus, annál kevesebb idő marad a kötött mezők energiájának visszatérésére a huzalba (vagyis a generátorba), és annál inkább átmegy szabad mezőkbe, amelyek elektromágneses hullámok formájában terjednek tovább. Az elektromágneses hullámok hatékony kisugárzása a hullámhossz és a sugárzó huzal hosszának összemérhetősége mellett történik.

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 frekvenciával.

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

λ = υТ (1)

A tér két olyan pontja közötti minimális távolságot nevezzük, ahol a mező azonos értékű hullámhossz. Az (1)-ből következően a hullámhossz λ terjedésének sebességétől és az antennában lévő elektronok rezgési periódusától függ. Mert 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).

), amely az elektromágneses teret írja le, elméletileg kimutatta, hogy vákuumban elektromágneses tér források - töltések és áramok - hiányában is létezhet. A források nélküli mező véges sebességgel terjedő hullámok alakja, amely vákuumban egyenlő a fénysebességgel: Val vel= 299792458±1,2 m/s. Az elektromágneses hullámok vákuumban terjedési sebességének egybeesése a korábban mért fénysebességgel lehetővé tette Maxwellnek, hogy arra a következtetésre jutott, hogy a fény elektromágneses hullám. Ez a következtetés képezte később a fény elektromágneses elméletének alapját.

1888-ban az elektromágneses hullámok elmélete kísérleti megerősítést kapott G. Hertz kísérletei során. Egy nagyfeszültségű forrás és vibrátorok (lásd Hertz vibrátor) segítségével a Hertz finom kísérleteket tudott végrehajtani egy elektromágneses hullám terjedési sebességének és hosszának meghatározására. Kísérletileg igazolták, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével, ami igazolta a fény elektromágneses természetét.

ez az elektromágneses kölcsönhatás terjedésének folyamata a térben.
Elektromágneses hullámok közösen írják le elektromágneses jelenségek Maxwell-egyenletek. A Maxwell-egyenleteknek még akkor is vannak nem nulla megoldásai, ha nincs elektromos töltés és áram a térben. Ezek a megoldások elektromágneses hullámokat írnak le.
Töltések és áramok hiányában a Maxwell-egyenletek a következő alakot öltik:

,

A rot műveletet az első két egyenletre alkalmazva külön egyenleteket kaphatunk az elektromos és a mágneses tér erősségének meghatározására

Ezek az egyenletek tipikus forma hullámegyenletek. Ezek szétválasztása a következő típusú kifejezések szuperpozíciója

Hol - Egy bizonyos vektor, amelyet hullámvektornak neveznek? - ciklikus frekvenciának nevezett szám, ? - fázis. A mennyiségek az elektromágneses hullám elektromos és mágneses összetevőinek amplitúdói. Ezek egymásra merőlegesek és abszolút értékűek. Az egyes bevezetett mennyiségek fizikai értelmezését az alábbiakban adjuk meg.
Vákuumban egy elektromágneses hullám sebességgel halad, amelyet fénysebességnek neveznek. A fénysebesség alapvető fizikai állandó, amelyet jelölünk latin betű c. A relativitáselmélet alapvető posztulátuma szerint a fénysebesség az információátadás vagy a testmozgás lehetséges legnagyobb sebessége. Ez a sebesség 299 792 458 m/s.
Az elektromágneses hullámot a frekvencia jellemzi. Megkülönböztetni a vonal frekvenciáját? és ciklikus frekvencia? = 2??. A frekvenciától függően az elektromágneses hullámok valamelyik spektrális tartományba tartoznak.
Az elektromágneses hullám másik jellemzője a hullámvektor. A hullámvektor határozza meg az elektromágneses hullám terjedésének irányát és hosszát. A szélvektor abszolút értékét hullámszámnak nevezzük.
Az elektromágneses hullám hossza? = 2? / k, ahol k a hullámszám.
Az elektromágneses hullám hossza a diszperziós törvényen keresztül összefügg a frekvenciával. Az ürességben ez a kapcsolat egyszerű:

?? = c.

Ezt az arányt gyakran így írják

? = c k.

Az azonos frekvenciájú és hullámvektorú elektromágneses hullámok fázisban különbözhetnek.
Vákuumban az elektromágneses hullám elektromos és mágneses terének erősségvektorai szükségszerűen merőlegesek a hullámterjedés irányára. Az ilyen hullámokat ún nyíróhullámok. Matematikailag ezt az és egyenletek írják le. Ezenkívül az elektromos és a mágneses tér erőssége merőleges egymásra, és abszolút értékben mindig egyenlő a tér bármely pontjában: E = H. Ha olyan koordináta-rendszert választunk, hogy a z tengely egybeessen a terjedési iránnyal egy elektromágneses hullámból kettő van különféle lehetőségeket az elektromos térerősség vektorok irányaihoz. Ha az eklektikus mező az x tengely mentén irányul, akkor a mágneses mező az y tengely mentén irányul, és fordítva. Ez a két különböző lehetőség nem zárja ki egymást, és két különböző polarizációnak felel meg. Ezt a kérdést részletesebben a Hullámok polarizációja című cikk tárgyalja.
Spektrális tartományok kiválasztott látható fénnyel A frekvenciától vagy hullámhossztól függően (ezek a mennyiségek összefüggenek) az elektromágneses hullámokat különböző tartományokba sorolják. A különböző tartományokban lévő hullámok különböző módon lépnek kölcsönhatásba a fizikai testekkel.
A legalacsonyabb frekvenciájú (vagy leghosszabb hullámhosszú) elektromágneses hullámokat ún rádió hatótávolsága. A rádiósáv a jelek távoli továbbítására szolgál rádión, televízión, mobiltelefonok. A radar a rádió hatósugarában működik. A rádió hatótávolsága az elektromágneses hullám hosszától függően méterre, ditseméterre, centiméterre, milliméterre oszlik.
Az elektromágneses hullámok valószínűleg az infravörös tartományba tartoznak. Az infravörös tartományban található a test hősugárzása. Ennek a rezgésnek a regisztrálása az éjjellátó készülékek működésének alapja. Az infravörös hullámokat a testek hőrezgésének tanulmányozására és az atomszerkezet meghatározására használják. szilárd anyagok, gázok és folyadékok.
A 400-800 nm hullámhosszú elektromágneses sugárzás a látható fény tartományába tartozik. A látható fény a frekvenciától és a hullámhossztól függően különböző színű.
A 400 nm-nél kisebb hullámhosszakat nevezzük ultraibolya. Az emberi szem nem különbözteti meg őket, bár tulajdonságaik nem különböznek a látható tartományban lévő hullámok tulajdonságaitól. Az ilyen fény nagy frekvenciája, és ennek következtében a kvantum energiája az ultraibolya hullámok pusztítóbb hatásához vezet a biológiai objektumokra. A földfelszín védve van a káros hatások ultraibolya hullámok az ózonréteg által. A további védelem érdekében a természet sötét bőrrel ruházta fel az embereket. azonban ultraibolya sugarak egy személynek szüksége van a D-vitamin termeléséhez. Ezért az emberek a északi szélességi körök, ahol az ultraibolya hullámok intenzitása kisebb, elvesztette a bőr sötét színét.
A magasabb frekvenciájú elektromágneses hullámok röntgen hatótávolság. Azért nevezik őket így, mert Roentgen fedezte fel őket, az elektronok lassulása során keletkező sugárzást tanulmányozva. A külföldi irodalomban az ilyen hullámokat ún röntgensugarak tiszteletben tartva Röntgen kívánságát, hogy a sugarak ne szólítsák a nevén. A röntgenhullámok gyengén kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, és ott erősebben nyelődnek el, ahol nagyobb a sűrűség. Ezt a tényt az orvostudományban röntgen-fluorográfiára használják. A röntgenhullámokat elemanalízisre és a kristálytestek szerkezetének vizsgálatára is használják.
a legmagasabb frekvenciájú és a legrövidebb hosszúságú ?-sugarak. Ezek a sugarak ennek eredményeként keletkeznek nukleáris reakciókés a reakciók között elemi részecskék. A ?-sugarak nagy pusztító hatással vannak a biológiai objektumokra. A fizikában azonban tanulmányozásra használják őket különféle jellemzők atommag.
Az elektromágneses hullám energiáját az elektromos és a mágneses mező energiáinak összege határozza meg. Az energiasűrűséget a tér egy bizonyos pontjában a következő képlet adja meg:

.

Az idő szerinti átlagos energiasűrűség egyenlő.

,

Ahol E 0 = H 0 a hullám amplitúdója.
Fontosság egy elektromágneses hullám energiaáram-sűrűsége van. Különösen az optika fényáramát határozza meg. Az elektromágneses hullám energiaáram-sűrűségét az Umov-Poynting vektor adja meg.

Az elektromágneses hullámok közegben való terjedésének számos jellemzője van a vákuumban történő terjedéshez képest. Ezek a jellemzők a közeg tulajdonságaihoz kapcsolódnak, és általában az elektromágneses hullám frekvenciájától függenek. A hullám elektromos és mágneses komponensei a közeg polarizációját és mágnesezettségét okozzák. A közegnek ez a reakciója nem azonos alacsony és magas frekvenciák esetén. Az elektromágneses hullám alacsony frekvenciájánál az anyag elektronjainak és ionjainak van idejük reagálni az elektromos és mágneses mezők intenzitásának változásaira. A közeg válasza az időbeli ingadozásokat hullámokká követi. Nagy frekvencián az anyag elektronjainak és ionjainak nincs idejük elmozdulni a hullámterek rezgésének időszakában, ezért a közeg polarizációja és mágnesezettsége sokkal kisebb.
Az alacsony frekvenciájú elektromágneses tér nem hatol be a fémekbe, ahol sok szabad elektron van, amelyek így elmozdulnak, és teljesen kioltják az elektromágneses hullámot. Az elektromágneses hullám egy bizonyos frekvenciát meghaladó frekvenciával kezd behatolni a fémbe, amelyet plazmafrekvenciának neveznek. A plazmafrekvenciánál alacsonyabb frekvenciákon az elektromágneses hullám behatolhat a fém felületi rétegébe. Ezt a jelenséget bőrhatásnak nevezik.
A dielektrikumban az elektromágneses hullám diszperziós törvénye megváltozik. Ha az elektromágneses hullámok vákuumban állandó amplitúdóval terjednek, akkor közegben az abszorpció következtében lecsengenek. Ebben az esetben a hullám energiája a közeg elektronjaihoz vagy ionjaihoz kerül. Összességében a diszperziós törvény mágneses hatások hiányában a formát ölti

Ahol a k hullámszám egy teljes komplex mennyiség, amelynek képzeletbeli része az elektromágneses hullám amplitúdójának csökkenését írja le, ott a közeg frekvenciafüggő komplex permittivitása.
Anizotróp közegben az elektromos és mágneses mezők vektorainak iránya nem feltétlenül merőleges a hullámterjedés irányára. Az elektromos és mágneses indukció vektorainak iránya azonban megőrzi ezt a tulajdonságát.
Egy közegben bizonyos körülmények között egy másik típusú elektromágneses hullám is terjedhet - hosszanti elektromágneses hullám, amelynél az elektromos térerősség vektorának iránya egybeesik a hullámterjedés irányával.
A huszadik század elején a fekete test sugárzási spektrumának magyarázata érdekében Max Planck azt javasolta, hogy az elektromágneses hullámokat a frekvenciával arányos energiájú kvantumok bocsátják ki. Néhány évvel később Albert Einstein a fotoelektromos hatás jelenségét magyarázva kibővítette ezt az elképzelést azzal, hogy feltételezte, hogy az elektromágneses hullámokat ugyanazok a kvantumok nyelték el. Így világossá vált, hogy az elektromágneses hullámokat olyan tulajdonságok jellemzik, amelyeket korábban az anyagi részecskéknek, testtesteknek tulajdonítottak.
Ezt a gondolatot korpuszkuláris-hullám dualizmusnak nevezik.

Kevesen tudják, hogy az elektromágneses sugárzás az egész Univerzumot áthatja. Az elektromágneses hullámok akkor keletkeznek, amikor az űrben terjednek. A hullámoszcilláció frekvenciájától függően feltételesen felosztják látható fényre, rádiófrekvenciás spektrumra, infravörös tartományokra stb. Az elektromágneses hullámok gyakorlati létezését 1880-ban G. Hertz német tudós empirikusan bizonyította (egyébként a frekvencia egységet róla nevezték el).

A fizika tanfolyamából ismert, hogy mi az különleges fajtaügy. Annak ellenére, hogy csak egy kis része látható rálátással, hatása a anyagi világ hatalmas. Az elektromágneses hullámok mágneses és elektromos mezők egymásra ható vektorainak egymást követő terjedése a térben. Az "eloszlás" szó azonban ebben az esetben nem teljesen helytálló: inkább a tér hullámszerű perturbációjáról van szó. Az elektromágneses hullámok generálásának oka egy elektromos mező megjelenése a térben, amely idővel változik. És, mint tudják, közvetlen kapcsolat van az elektromos és a mágneses mezők között. Elegendő felidézni azt a szabályt, amely szerint minden árammal rendelkező vezető körül mágneses tér van. Az elektromágneses hullámok által érintett részecske oszcillálni kezd, és mivel mozgás van, ez azt jelenti, hogy energiasugárzás van. A w elektromos tér nyugalmi állapotban átkerül egy szomszédos részecskére, ennek eredményeként ismét elektromos jellegű mező keletkezik. És mivel a mezők összekapcsolódnak, mágneses következik. A folyamat lavinaként terjed. Ebben az esetben nincs valódi mozgás, de vannak részecskék rezgései.

A lehetőségről gyakorlati használat a fizikusok régóta gondolkodnak ezen. NÁL NÉL modern világ Az elektromágneses hullámok energiáját olyan széles körben használják, hogy sokan észre sem veszik, természetesnek veszik. Kirívó példa erre a rádióhullámok, amelyek nélkül a televíziók és a mobiltelefonok működése lehetetlen lenne.

A folyamat a következőképpen zajlik: egy speciális alakú fémvezetőre folyamatosan egy modulált fémvezetőt (antennát) továbbítanak.Az elektromos áram tulajdonságai miatt a vezető körül elektromos tér, majd mágneses tér keletkezik, mint pl. aminek eredményeként elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. Mivel modulált, bizonyos sorrendet, kódolt információt hordoznak. A kívánt frekvenciák fogásához speciális kialakítású vevőantennát szerelnek fel a címzettnél. Lehetővé teszi a kívánt frekvenciák kiválasztását az általános elektromágneses háttérből. A fémvevőn a hullámok részben átalakulnak elektromosság eredeti moduláció. Ezután az erősítő egységhez mennek, és irányítják a készülék működését (mozgatják a hangszórókúpot, forgatják az elektródákat a TV képernyőjén).

Az elektromágneses hullámokból generált áram jól látható. Ehhez elegendő, ha az antennától a vevőig tartó csupasz lakossági kábel hozzáér a teljes tömeghez (fűtőelemek. Ebben a pillanatban egy szikra ugrik a tömeg és a mag között - ez a keletkezett áram megnyilvánulása Minél nagyobb az értéke, minél közelebb van és erősebb az adó, az antenna konfigurációjának is jelentős hatása van.

Az elektromágneses hullámok másik megnyilvánulása, amellyel sokan találkoznak a mindennapi életben, a használata mikrohullámú sütő. A térerő forgó vonalai keresztezik a tárgyat, és energiájuk egy részét átadják, felmelegítve azt.

Az elektromágneses hullámok a fizika szerint a legrejtélyesebbek 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 munkásságára támaszkodva levezette az elektromágneses mező egyenletét. Maxwell maga is úgy gondolta, hogy egyenletei leírják a hullámok csavarodását és feszültségét az éterben. Huszonhárom évvel később Hertz kísérletileg ilyen zavarokat hozott létre 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 lehetőségek 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 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 kapcsokon (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 az elektrosztatikus és elektromágneses indukció segítségével vezeték nélküli kommunikáció létrehozására. 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. A Hertz kísérletet végzett egy elektromágneses jel távoli átvitelére. 1890-ben a francia Branly mérnök és fizikus feltalált egy rögzítőeszközt elektromágneses sugárzás. Ezt követően 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 bizonyos véges sebességgel terjed a térben, 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, hogy 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 egynegyedével eltolták egymáshoz képest teljes időszak hullámok. Ebben az esetben az átlagos hullámenergia, amely a potenciális és a kinetikus energia összege, állandó érték. 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 és mozgásának energiájából és elektromos energia maga a mező. Ezért a hullám potenciális energiája összefügg a kinetikus energiával, és fázisban van. Az elektromágneses hullám természete egy periodikus elektromos tér, amely transzlációs mozgásban van a térben és fénysebességgel mozog.

Eltolási áramok

Van egy másik módja annak, hogy megmagyarázzuk, mi az elektromágneses hullám. 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, az elmozdulási áram a tér adott pontjában leáll. Ennek megfelelően minimális feszültség mellett fordított képet kapunk. Ez a megközelítés tisztázza az elektromágneses sugárzás hullámtermészetét, 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 eltolási áram energiájává és fordítva, és hullámszerűen terjed egy dielektromos közegben.