Kas yra elektromagnetinės bangos? Elektromagnetinė banga yra elektromagnetinio lauko sklidimo erdvėje procesas.

Elektromagnetinės bangos yra ilgus metus trukusių diskusijų ir tūkstančių eksperimentų rezultatas. Natūralios kilmės jėgų, galinčių paversti dabartinę visuomenę, buvimo įrodymas. Tai yra tikrasis paprastos tiesos priėmimas – mes per mažai žinome apie pasaulį, kuriame gyvename.

Fizika yra gamtos mokslų karalienė, galinti atsakyti į klausimus apie ne tik gyvybės, bet ir paties pasaulio kilmę. Tai suteikia mokslininkams galimybę tirti elektrinius ir magnetinius laukus, kurių sąveika sukuria EMW (elektromagnetines bangas).

Kas yra elektromagnetinė banga

Ne taip seniai mūsų šalies ekranuose pasirodė filmas „Srovių karas“ (2018), kuriame su fantastikos dvelksmu pasakojama apie dviejų didžiųjų mokslininkų Edisono ir Teslos ginčą. Vienas bandė įrodyti naudą iš nuolatinė srovė, kitas – iš kintamojo. Šis ilgas mūšis baigėsi tik septintaisiais dvidešimt pirmojo amžiaus metais.

Pačioje „mūšio“ pradžioje kitas mokslininkas, dirbantis su reliatyvumo teorija, apibūdino elektrą ir magnetizmą kaip panašius reiškinius.

Devynioliktojo amžiaus trisdešimtaisiais metais fizikas anglų kilmės Faradėjus atrado reiškinį elektromagnetinė indukcija ir įvedė elektrinio ir magnetinio lauko vienybės terminą. Jis taip pat tvirtino, kad judėjimą šioje srityje riboja šviesos greitis.

Šiek tiek vėliau anglų mokslininko Maxwello teorija papasakojo, kad elektra sukelia magnetinį efektą, o magnetizmas – išvaizdą. elektrinis laukas. Kadangi abu šie laukai juda erdvėje ir laike, jie sudaro trikdžius – tai yra elektromagnetines bangas.

Paprasčiau tariant, elektromagnetinė banga yra erdvinis elektrinio trikdymas magnetinis laukas.

Eksperimentiniu būdu EMW egzistavimą įrodė vokiečių mokslininkas Hertzas.

Elektromagnetinės bangos, jų savybės ir charakteristikos

Elektromagnetinėms bangoms būdingi šie veiksniai:

ilgis (pakankamai platus diapazonas);
dažnis;
intensyvumas (arba svyravimų amplitudė);
energijos kiekis.

Pagrindinė visos elektromagnetinės spinduliuotės savybė yra bangos ilgio dydis (vakuume), kuris paprastai nurodomas nanometrais matomos šviesos spektrui.

Kiekvienas nanometras reiškia tūkstantąją mikrometro dalį ir matuojamas atstumu tarp dviejų iš eilės einančių smailių (viršūnių).

Atitinkamas bangos spinduliavimo dažnis yra sinusoidinių virpesių skaičius ir atvirkščiai proporcingas bangos ilgiui.

Dažnis paprastai matuojamas hercais. Taigi ilgesni bangos ilgiai atitinka mažesnį spinduliavimo dažnį, o trumpesni – didesnį spinduliavimo dažnį.

Pagrindinės bangų savybės:

refrakcija;
atspindys;
absorbcija;
trukdžių.

elektromagnetinių bangų greitis

Tikrasis elektromagnetinės bangos sklidimo greitis priklauso nuo medžiagos, kurią turi terpė, jos optinio tankio ir tokio faktoriaus kaip slėgis.

Be to, įvairios medžiagos turi skirtingą atomų „pakavimo“ tankį, kuo arčiau jie yra, tuo mažesnis atstumas ir didesnis greitis. Dėl to elektromagnetinės bangos greitis priklauso nuo medžiagos, per kurią ji sklinda.

Panašūs eksperimentai atliekami hadronų greitintuve, kur pagrindinis poveikio instrumentas yra įkrauta dalelė. Tyrimas apie elektromagnetiniai reiškiniai ten atsiranda kvantiniame lygmenyje, kai šviesa suskaidoma į mažytes daleles – fotonus. Bet kvantinė fizika yra atskira problema.

Pagal reliatyvumo teoriją didžiausias bangos sklidimo greitis negali viršyti šviesos greičio. Greičio apribojimo baigtinumą savo raštuose apibūdino Maxwellas, paaiškindamas tai naujo lauko - eterio - buvimu. Šiuolaikinis oficialus mokslas tokio ryšio dar netyrė.

Elektromagnetinė spinduliuotė ir jos rūšys

Elektromagnetinė spinduliuotė susideda iš elektromagnetinių bangų, kurios stebimos kaip elektrinių ir magnetinių laukų svyravimai, sklindantys šviesos greičiu (vakuume 300 km per sekundę).

Kai EM spinduliuotė sąveikauja su medžiaga, jos elgesys kokybiškai keičiasi keičiantis dažniui. Kodėl jis konvertuojamas į:

Radijo spinduliavimas. Radijo dažniuose ir mikrobangų dažniuose em spinduliuotė sąveikauja su medžiaga daugiausia kaip bendro krūvių rinkinio, kuris yra paskirstytas didelis skaičius paveikti atomai.
Infraraudonoji spinduliuotė. Skirtingai nuo žemo dažnio radijo ir mikrobangų spinduliuotės, infraraudonųjų spindulių skleidėjas dažniausiai sąveikauja su atskirose molekulėse esančiais dipoliais, kurie vibruojant keičiasi galuose. cheminis ryšys atominiame lygmenyje.
Matoma šviesos emisija. Didėjant dažniui matomame diapazone, fotonai turi pakankamai energijos, kad pakeistų kai kurių atskirų molekulių surištą struktūrą.
Ultravioletinė radiacija. Dažnis didėja. Dabar ultravioletiniuose fotonuose yra pakankamai energijos (daugiau nei trys voltai), kad galėtų dvigubai veikti molekulių ryšius, nuolat jas chemiškai pertvarkant.
Jonizuojanti radiacija. Aukščiausiais dažniais ir mažiausiu bangos ilgiu. Šių spindulių sugertis medžiaga veikia visą gama spektrą. Garsiausias poveikis yra radiacija.

Kas yra elektromagnetinių bangų šaltinis

Pasaulis, pagal jaunąją visa ko kilmės teoriją, atsirado impulso dėka. Jis išleido milžinišką energiją, kuri buvo vadinama dideliu sprogimu. Taip visatos istorijoje atsirado pirmoji em banga.

Šiuo metu trikdžių formavimo šaltiniai yra šie:

emv skleidžia dirbtinį vibratorių;
atominių grupių ar molekulių dalių vibracijos rezultatas;
jei yra poveikis išorinis apvalkalas medžiagos (atominiu-molekuliniu lygiu);
efektas panašus į šviesą;
branduolinio skilimo metu;
elektronų lėtėjimo pasekmė.

Elektromagnetinės spinduliuotės mastas ir taikymas

Spinduliuotės skalė reiškia platų bangų dažnių diapazoną nuo 3·10 6 ÷10 -2 iki 10 -9 ÷ 10 -14 .

Kiekviena elektromagnetinio spektro dalis mūsų kasdieniame gyvenime yra plačiai naudojama:

Mažo ilgio bangos (mikrobangos). Šios elektrinės bangos naudojamos kaip palydovinis signalas, nes jos gali apeiti Žemės atmosferą. Taip pat šiek tiek patobulinta versija naudojama šildymui ir maisto ruošimui virtuvėje – tai mikrobangų krosnelė. Paruošimo principas paprastas – veikiant mikrobangų spinduliuotė vandens molekulės absorbuojamos ir pagreitėja, todėl indas įkaista.
Radijo technologijose (radijo bangose) naudojami ilgi trukdžiai. Jų dažnis nepraleidžia debesų ir atmosferos, todėl mums prieinamas FM radijas ir televizija.
Infraraudonųjų spindulių trikdžiai yra tiesiogiai susiję su šiluma. Jį pamatyti beveik neįmanoma. Pasistenkite be specialios įrangos pastebėti automobilio televizoriaus, muzikos centro ar radijo nuotolinio valdymo pulto spindulį. Prietaisai, galintys nuskaityti tokias bangas, naudojami šalių kariuomenėse (naktinio matymo prietaisas). Taip pat indukcinėse viryklėse virtuvėse.
Ultravioletiniai spinduliai taip pat yra susiję su šiluma. Galingiausias natūralus tokios spinduliuotės „generatorius“ yra saulė. Būtent dėl ultravioletinių spindulių poveikio žmogaus odoje susidaro įdegis. Medicinoje šio tipo bangos naudojamos instrumentams dezinfekuoti, naikinti mikrobus ir.
Gama spinduliai yra galingiausia spinduliuotės rūšis, kurioje koncentruojasi aukšto dažnio trumpųjų bangų trikdžiai. Šioje elektromagnetinio spektro dalyje esanti energija suteikia spinduliams didesnę prasiskverbimo galią. Taikoma branduolinė fizika- taikus, branduolinis ginklas - kovinis panaudojimas.

Elektromagnetinių bangų įtaka žmonių sveikatai

Už emv poveikio žmonėms matavimą atsako mokslininkai. Tačiau nereikia būti specialistu, norint įvertinti jonizuojančiosios spinduliuotės intensyvumą – ji išprovokuoja pokyčius žmogaus DNR lygyje, o tai sukelia tokias rimtas ligas kaip onkologija.

Nenuostabu, kad žalingas Černobylio katastrofos poveikis laikomas vienu pavojingiausių gamtai. Keli kvadratiniai kilometrai kadaise gražios teritorijos tapo visiškos atskirties zona. Iki amžiaus pabaigos Černobylio atominėje elektrinėje įvykęs sprogimas yra pavojingas, kol baigsis radionuklidų pusinės eliminacijos laikas.

Kai kurios emv rūšys (radijo, infraraudonųjų spindulių, ultravioletinių spindulių) žmogui nedaro didelės žalos ir yra tik diskomfortas. Juk žemės magnetinį lauką praktiškai jaučiame ne mes, o emv iš Mobilusis telefonas gali sukelti galvos skausmas(poveikis nervų sistemai).

Norėdami apsaugoti savo sveikatą nuo elektromagnetizmo, tiesiog turėtumėte imtis pagrįstų atsargumo priemonių. Užuot žaidę šimtus valandų kompiuterinį žaidimą, išeikite pasivaikščioti.

1864 metais Jamesas Clerkas Maxwellas numatė elektromagnetinių bangų egzistavimą erdvėje. Šį teiginį jis pateikė remdamasis išvadomis, padarytomis išanalizavus visus tuo metu žinomus eksperimentinius duomenis apie elektrą ir magnetizmą.

Maksvelas matematiškai suvienijo elektrodinamikos dėsnius, susiedamas elektrinius ir magnetiniai reiškiniai, ir taip priėjo prie išvados, kad laikui bėgant kintantys elektriniai ir magnetiniai laukai sukelia vienas kitą.

Iš pradžių jis pabrėžė faktą, kad ryšys tarp magnetinio ir elektriniai reiškiniai nėra simetriškas ir įvedė terminą „sūkurys“. elektrinis laukas“, siūlydamas savo, tikrai naują Faradėjaus atrasto elektromagnetinės indukcijos reiškinio paaiškinimą: „kiekvienas magnetinio lauko pokytis sukelia aplinkinėje erdvėje sūkurinį elektrinį lauką su uždaru. jėgos linijos».

Sąžiningas, pasak Maxwello, buvo priešingas teiginys, kad „kintantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką supančioje erdvėje“, tačiau šis teiginys iš pradžių liko tik hipotezė.

Maksvelas surašė matematinių lygčių sistemą, kuri nuosekliai apibūdino magnetinių ir elektrinių laukų tarpusavio transformacijų dėsnius, vėliau šios lygtys tapo pagrindinėmis elektrodinamikos lygtimis ir tapo žinomos kaip „Maksvelo lygtys“ jas užrašiusio didžiojo mokslininko garbei. . Maksvelo hipotezė, pagrįsta parašytomis lygtimis, turėjo keletą nepaprastai svarbių mokslui ir technologijoms išvadų, kurios pateikiamos toliau.

Elektromagnetinės bangos tikrai egzistuoja

Erdvėje gali egzistuoti skersinės elektromagnetinės bangos, kurios laikui bėgant sklinda. Tai, kad bangos yra skersinės, rodo tai, kad magnetinės indukcijos B ir elektrinio lauko stiprio E vektoriai yra vienas kitam statmeni ir abu yra plokštumoje, statmenoje elektromagnetinės bangos sklidimo krypčiai.

Elektromagnetinių bangų sklidimo greitis medžiagoje yra baigtinis, jį lemia elektrinis ir magnetines savybes medžiaga, kuria sklinda banga. Šiuo atveju sinusinės bangos ilgis λ yra susietas su greičiu υ tam tikru tiksliu ryšiu λ = υ / f, ir priklauso nuo lauko svyravimų dažnio f. Elektromagnetinės bangos greitis c vakuume yra viena iš pagrindinių fizinių konstantų – šviesos greitis vakuume.

Kadangi Maksvelas deklaravo elektromagnetinės bangos sklidimo greičio baigtinumą, tai sukėlė prieštaravimą tarp jo hipotezės ir tuo metu priimtos tolimojo nuotolio teorijos, pagal kurią bangų sklidimo greitis turėjo būti begalinis. Todėl Maksvelo teorija buvo vadinama trumpojo nuotolio veiksmų teorija.

Elektromagnetinėje bangoje elektrinis ir magnetinis laukai virsta vienas į kitą vienu metu, todėl magnetinės energijos tūriniai tankiai ir elektros energija yra lygūs vienas kitam. Todėl teisingas teiginys, kad elektrinio lauko stiprumo ir magnetinio lauko indukcijos moduliai yra tarpusavyje sujungti kiekviename erdvės taške tokiu ryšiu:

elektromagnetinė banga jo platinimo procese sukuria srautą elektromagnetinė energija, o jei nagrinėsime plotą plokštumoje, statmenoje bangos sklidimo krypčiai, tai per trumpą laiką juo pajudės tam tikras elektromagnetinės energijos kiekis. Elektromagnetinės energijos srauto tankis yra energijos kiekis, kurį elektromagnetinė banga per laiko vieneto ploto paviršių perneša. Pakeitę greičio, taip pat magnetinės ir elektros energijos reikšmes, galime gauti srauto tankio išraišką dydžiais E ir B.

Kadangi bangos energijos sklidimo kryptis sutampa su bangos sklidimo greičio kryptimi, elektromagnetine banga sklindantį energijos srautą galima nurodyti naudojant vektorių, nukreiptą taip pat, kaip ir bangos sklidimo greitį. Šis vektorius vadinamas "Poynting vektoriumi" - garbei britų fizikas Henris Poyntingas, kuris 1884 metais sukūrė elektromagnetinio lauko energijos srauto sklidimo teoriją. Bangos energijos srauto tankis matuojamas W/kv.m.

Kai medžiagą veikia elektrinis laukas, joje atsiranda mažos srovės, kurios yra tvarkingas elektriškai įkrautų dalelių judėjimas. Šias sroves elektromagnetinės bangos magnetiniame lauke veikia Ampero jėga, nukreipta giliai į medžiagą. Ampero jėga ir dėl to susidaro slėgis.

Šį reiškinį vėliau, 1900 m., ištyrė ir eksperimentiškai patvirtino rusų fizikas Piotras Nikolajevičius Lebedevas, kurio eksperimentiniai darbai buvo labai svarbūs patvirtinant Maksvelo elektromagnetizmo teoriją ir ją priimant bei patvirtinant ateityje.

Tai, kad elektromagnetinė banga daro slėgį, leidžia spręsti apie mechaninio impulso buvimą elektromagnetiniame lauke, kuris tūrio vienetui gali būti išreikštas elektromagnetinės energijos tūriniu tankiu ir bangos sklidimo vakuume greičiu:

Kadangi impulsas yra susijęs su masės judėjimu, galima įvesti tokią sąvoką kaip elektromagnetinė masė, o tada tūrio vienetui šis santykis (pagal SRT) įgaus universalaus gamtos dėsnio pobūdį ir bus galioja bet kokiems materialiems kūnams, nepriklausomai nuo materijos formos. Tada elektromagnetinis laukas yra panašus į materialųjį kūną – jo energija W, masė m, impulsas p ir baigtinis sklidimo greitis v. Tai yra, elektromagnetinis laukas yra viena iš materijos formų, kuri iš tikrųjų egzistuoja gamtoje.

Pirmą kartą 1888 m. Heinrichas Hertzas eksperimentiškai patvirtino Maksvelo elektromagnetinę teoriją. Jis empiriškai įrodė elektromagnetinių bangų tikrovę ir tyrė jų savybes, tokias kaip refrakcija ir sugertis įvairiose terpėse, taip pat bangų atspindys nuo metalinių paviršių.

Hercas išmatavo bangos ilgį ir parodė, kad elektromagnetinės bangos sklidimo greitis yra lygus šviesos greičiui. Hertzo eksperimentinis darbas buvo paskutinis žingsnis Maksvelo elektromagnetinės teorijos pripažinimo link. Po septynerių metų, 1895 m., Rusijos fizikas Aleksandras Stepanovičius Popovas panaudojo elektromagnetines bangas belaidžiam ryšiui sukurti.

Nuolatinės srovės grandinėse krūviai juda pastoviu greičiu, o elektromagnetinės bangos šiuo atveju nespinduliuojamos į erdvę. Kad vyktų spinduliuotė, būtina naudoti anteną, kurioje sužadinama kintamoji srovė, tai yra srovės, kurios greitai keičia kryptį.

Paprasčiausia forma elektrinis dipolis yra tinkamas elektromagnetinėms bangoms skleisti. mažas dydis, kurio dipolio momentas laikui bėgant greitai keistųsi. Būtent toks dipolis šiandien vadinamas „Hercio dipoliu“, kurio dydis kelis kartus mažesnis už jo skleidžiamą bangos ilgį.

Išspinduliuojant Herco dipolio, maksimalus srautas elektromagnetinė energija patenka į plokštumą, statmeną dipolio ašiai. Išilgai dipolio ašies neišspinduliuojama elektromagnetinė energija. Svarbiausiuose Herco eksperimentuose tiek elektromagnetinėms bangoms skleisti, tiek priimti buvo naudojami elementarieji dipoliai, įrodytas elektromagnetinių bangų egzistavimas.

M. Faradėjus pristatė lauko sąvoką:

elektrostatinis laukas aplink krūvį ramybės būsenoje

aplink judančius krūvius (srovę) yra magnetinis laukas.

1830 metais M. Faradėjus atrado elektromagnetinės indukcijos reiškinį: pasikeitus magnetiniam laukui, atsiranda sūkurinis elektrinis laukas.

2.7 pav. Sūkurinis elektrinis laukas

kur,
- elektrinio lauko stiprumo vektorius,
- magnetinės indukcijos vektorius.

Kintamasis magnetinis laukas sukuria sūkurinį elektrinį lauką.

1862 metais D.K. Maxwellas iškėlė hipotezę: pasikeitus elektriniam laukui, atsiranda sūkurinis magnetinis laukas.

Kilo vieno elektromagnetinio lauko idėja.

2.8 pav. – Vieningas elektromagnetinis laukas.

Kintamasis elektrinis laukas sukuria sūkurinį magnetinį lauką.

Elektromagnetinis laukas– tai ypatinga materijos forma – elektrinių ir magnetinių laukų derinys. Kintamieji elektriniai ir magnetiniai laukai egzistuoja vienu metu ir sudaro vieną elektromagnetinį lauką. Tai medžiaga:

Jis pasireiškia veikiant tiek ramybės, tiek judančio krūvio metu;

Jis plinta dideliu, bet ribotu greičiu;

Ji egzistuoja nepriklausomai nuo mūsų valios ir norų.

Esant įkrovimo greičiui, nulis, yra tik elektrinis laukas. Esant pastoviam įkrovimo greičiui, susidaro elektromagnetinis laukas.

Pagreitėjus krūviui judant, išspinduliuojama elektromagnetinė banga, kuri erdvėje sklinda baigtiniu greičiu .

Elektromagnetinių bangų idėjos kūrimas priklauso Maxwellui, tačiau Faradėjus jau žinojo apie jų egzistavimą, nors ir bijojo publikuoti kūrinį (jis buvo perskaitytas praėjus daugiau nei 100 metų po jo mirties).

Pagrindinė elektromagnetinės bangos atsiradimo sąlyga yra pagreitėjęs elektros krūvių judėjimas.

Kas yra elektromagnetinė banga, nesunku įsivaizduoti tokį pavyzdį. Jei mesti akmenuką ant vandens paviršiaus, tada paviršiuje susidaro bangos, besiskiriančios ratu. Jie juda iš savo atsiradimo (perturbacijos) šaltinio tam tikru sklidimo greičiu. Elektromagnetinėms bangoms trikdžiai – tai erdvėje judantys elektriniai ir magnetiniai laukai. Laike kintantis elektromagnetinis laukas būtinai sukelia kintamąjį magnetinį lauką ir atvirkščiai. Šie laukai yra tarpusavyje susiję.

Pagrindinis elektromagnetinių bangų spektro šaltinis yra Saulės žvaigždė. Dalis elektromagnetinių bangų spektro mato žmogaus akį. Šis spektras yra 380...780 nm (2.1 pav.). Matomame spektre akis skirtingai suvokia šviesą. Skirtingų bangų ilgių elektromagnetiniai virpesiai sukelia skirtingų spalvų šviesos pojūtį.

2.9 pav. – Elektromagnetinių bangų spektras

Dalis elektromagnetinių bangų spektro naudojama radijo ir televizijos transliavimui bei ryšiams. Elektromagnetinių bangų šaltinis yra viela (antena), kurioje vyksta virpesiai elektros krūviai. Laukų formavimosi procesas, prasidėjęs šalia laido, palaipsniui, taškas po taško, užfiksuoja visą erdvę. Kuo didesnis dažnis kintamoji srovė einantis per laidą ir sukuriant elektrinį ar magnetinį lauką, tuo intensyvesnės yra tam tikro ilgio radijo bangos, kurias sukuria viela.

Radijas(lot. radijas – skleidžia, skleidžia spindulius ← spindulys – spindulys) – belaidžio ryšio rūšis, kai kaip signalo nešėjas naudojamos laisvai erdvėje sklindančios radijo bangos.

Radio bangos(iš radijo...), elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis > 500 µm (dažnis< 6×10 12 Гц).

Radijo bangos yra elektriniai ir magnetiniai laukai, kurie laikui bėgant kinta. Radijo bangų sklidimo greitis laisvoje erdvėje yra 300 000 km/s. Pagal tai galite nustatyti radijo bangos ilgį (m).

λ=300/f, kur f – dažnis (MHz)

Telefoninio pokalbio metu susidarę oro garso virpesiai mikrofonu paverčiami elektriniais garso dažnio virpesiais, kurie laidais perduodami į abonento įrangą. Ten, kitame laido gale, telefono emiterio pagalba jie paverčiami oro vibracijomis, kurias abonentas suvokia kaip garsus. Telefonijoje ryšio priemonės yra laidai, radijo transliacijoje – radijo bangos.

Bet kurios radijo stoties siųstuvo „širdis“ yra generatorius – įrenginys, generuojantis aukšto, bet griežtai pastovaus dažnio virpesius konkrečiai radijo stočiai. Šie radijo dažnių svyravimai, sustiprinti iki reikiamos galios, patenka į anteną ir sužadina supančioje erdvėje lygiai tokio pat dažnio elektromagnetinius virpesius – radijo bangas. Radijo bangų pašalinimo iš radijo stoties antenos greitis lygus šviesos greičiui: 300 000 km/s, o tai beveik milijoną kartų greičiau nei garso sklidimas ore. Tai reiškia, kad jei Maskvos transliavimo stotyje tam tikru laiko momentu būtų įjungtas siųstuvas, jo radijo bangos Vladivostoką pasiektų greičiau nei per 1/30 s, o garsas per tą laiką spėtų sklisti tik 10- 11 m.

Radijo bangos sklinda ne tik ore, bet ir ten, kur jų nėra, pavyzdžiui, kosmose. Tuo jie skiriasi nuo garso bangos, kuriam būtinai reikalingas oras ar kita tanki terpė, pavyzdžiui, vanduo.

elektromagnetinė banga yra erdvėje sklindantis elektromagnetinis laukas (vektorių svyravimai
). Prie krūvio elektrinis ir magnetinis laukai keičiasi su fazės poslinkiu p/2.

2.10 pav. Vieningas elektromagnetinis laukas.

Esant dideliam atstumui nuo krūvio, elektrinis ir magnetinis laukai keičiasi faze.

2.11 pav. Elektrinių ir magnetinių laukų fazės pokytis.

Elektromagnetinė banga yra skersinė. Elektromagnetinės bangos greičio kryptis sutampa su dešiniojo sraigto judėjimo kryptimi, kai sukant vektorinio antgalio rankeną į vektorių .

2.12 pav. – Elektromagnetinė banga.

Be to, elektromagnetinėje bangoje santykis
, kur c yra šviesos greitis vakuume.

Maksvelas teoriškai apskaičiavo elektromagnetinių bangų energiją ir greitį.

Taigi, bangos energija yra tiesiogiai proporcinga ketvirtajai dažnio galiai. Tai reiškia, kad norint lengviau užfiksuoti bangą, būtina, kad ji būtų aukšto dažnio.

Elektromagnetines bangas atrado G. Hertzas (1887).

Uždara virpesių grandinė nespinduliuoja elektromagnetinių bangų: visa kondensatoriaus elektrinio lauko energija paverčiama ritės magnetinio lauko energija. Virpesių dažnis nustatomas pagal virpesių grandinės parametrus:
.

2.13 pav. – Virpesių grandinė.

Norint padidinti dažnį, reikia mažinti L ir C, t.y. pasukite ritę į tiesią laidą ir, kaip
, sumažinkite plokščių plotą ir paskleiskite jas maksimaliu atstumu. Tai rodo, kad iš esmės gauname tiesų laidininką.

Toks prietaisas vadinamas Hertz vibratoriumi. Vidurys nupjautas ir prijungtas prie aukšto dažnio transformatoriaus. Tarp laidų galų, ant kurių pritvirtinti maži sferiniai laidininkai, šokinėja elektros kibirkštis, kuri yra elektromagnetinės bangos šaltinis. Banga sklinda taip, kad elektrinio lauko stiprumo vektorius svyruoja toje plokštumoje, kurioje yra laidininkas.

2.14 pav. – Hertz vibratorius.

Jei tas pats laidininkas (antena) dedamas lygiagrečiai emiteriui, tada jame esantys krūviai svyruos ir tarp laidininkų šokinėja silpnos kibirkštys.

Hertzas eksperimento metu atrado elektromagnetines bangas ir išmatavo jų greitį, kuris sutapo su Maksvelo apskaičiuotu ir lygus c=3. 10 8 m/s.

Kintamasis elektrinis laukas sukuria kintamąjį magnetinį lauką, kuris, savo ruožtu, sukuria kintamąjį elektrinį lauką, tai yra, antena, kuri sužadina vieną iš laukų, sukelia vieno elektromagnetinio lauko atsiradimą. Svarbiausia šio lauko savybė yra ta, kad jis sklinda elektromagnetinių bangų pavidalu.

Elektromagnetinių bangų sklidimo greitis be nuostolių terpėje priklauso nuo santykinai dielektrinio ir magnetinio terpės pralaidumo. Orui terpės magnetinis pralaidumas lygus vienetui, todėl elektromagnetinių bangų sklidimo greitis šiuo atveju lygus šviesos greičiui.

Antena gali būti vertikali viela, maitinama aukšto dažnio generatoriaus. Generatorius eikvoja energiją, kad pagreitintų laisvųjų elektronų judėjimą laidininke, ir ši energija paverčiama kintamu elektromagnetiniu lauku, tai yra, elektromagnetinėmis bangomis. Kuo didesnis generatoriaus srovės dažnis, tuo greičiau keičiasi elektromagnetinis laukas ir intensyvesnis bangų gijimas.

Prie antenos laido prijungtas ir elektrinis laukas, kurio jėgos linijos prasideda nuo teigiamo ir baigiasi neigiamais krūviais, ir magnetinis laukas, kurio linijos užsidaro aplink laido srovę. Kuo trumpesnis virpesių periodas, tuo mažiau laiko lieka surištų laukų energijai grįžti į laidą (tai yra į generatorių) ir tuo daugiau jos pereina į laisvuosius laukus, kurie toliau sklinda elektromagnetinių bangų pavidalu. Efektyvi elektromagnetinių bangų spinduliuotė atsiranda, kai bangos ilgis ir spinduliuojančio laido ilgis yra suderinami.

Taigi galima nustatyti, kad radijo banga- tai elektromagnetinis laukas, nesusijęs su emiteriu ir kanalus formuojančiais įtaisais, laisvai sklindantis erdvėje bangos pavidalu, kurio virpesių dažnis yra nuo 10 -3 iki 10 12 Hz.

Elektronų svyravimus antenoje sukuria periodiškai besikeičiantis EML šaltinis T. Jei tam tikru momentu laukas prie antenos turėjo didžiausią reikšmę, tada po kurio laiko ji turės tokią pačią reikšmę T. Per tą laiką elektromagnetinis laukas, egzistavęs pradiniu momentu prie antenos, pasislinks į atstumą

λ = υТ (1)

Vadinamas mažiausias atstumas tarp dviejų erdvės taškų, kuriuose laukas turi tą pačią reikšmę bangos ilgis. Kaip matyti iš (1), bangos ilgis λ priklauso nuo jo sklidimo greičio ir antenoje esančių elektronų svyravimo periodo. Kaip dažnis srovė f = 1/T, tada bangos ilgis λ = υ / f .

Radijo ryšį sudaro šios pagrindinės dalys:

Siųstuvas

Imtuvas

Terpė, kurioje sklinda radijo bangos.

Siųstuvas ir imtuvas yra valdomi radijo ryšio elementai, nes galima padidinti siųstuvo galią, prijungti efektyvesnę anteną, padidinti imtuvo jautrumą. Terpė yra nevaldomas radijo ryšio elementas.

Radijo ryšio linijos skirtumas nuo laidinių linijų yra tas, kad laidinėse linijose kaip jungiamoji grandis naudojami laidai arba kabeliai, kurie yra valdomi elementai (galite keisti jų elektrinius parametrus).

Elektromagnetinės bangos, anot fizikos, yra vienos paslaptingiausių. Juose energija iš tikrųjų dingsta į niekur, atsiranda iš niekur. Visame moksle nėra kito panašaus objekto. Kaip vyksta visos šios stebuklingos transformacijos?

Maksvelo elektrodinamika

Viskas prasidėjo nuo to, kad mokslininkas Maxwellas dar 1865 metais, remdamasis Faradėjaus darbais, išvedė elektromagnetinio lauko lygtį. Pats Maxwellas tikėjo, kad jo lygtys apibūdina bangų sukimąsi ir įtampą eteryje. Po dvidešimt trejų metų Hertzas eksperimentiniu būdu sukūrė tokius perturbacijas terpėje ir jam pavyko ne tik suderinti jas su elektrodinamikos lygtimis, bet ir gauti dėsnius, reguliuojančius šių trikdžių sklidimą. Atsirado keista tendencija bet kokius elektromagnetinio pobūdžio sutrikimus paskelbti Herco bangomis. Tačiau ši spinduliuotė nėra vienintelis energijos perdavimo būdas.

Belaidis ryšys

Iki šiol, iki galimybės tokio belaidžio ryšio įgyvendinimas apima:

Elektrostatinė jungtis, dar vadinama talpine;

indukcija;

srovė;

Tesla jungtis, tai yra elektronų tankio bangų sujungimas išilgai laidžių paviršių;

Plačiausias spektras dažniausiai pasitaikančių nešėjų, kurie vadinami elektromagnetinėmis bangomis – nuo itin žemų dažnių iki gama spinduliuotės.

Verta išsamiau apsvarstyti šių tipų ryšius.

Elektrostatinis ryšys

Du dipoliai yra sujungtos elektrinės jėgos erdvėje, o tai yra Kulono dėsnio pasekmė. Nuo elektromagnetinių bangų duoto tipo komunikacija išsiskiria galimybe sujungti dipolius, kai jie yra toje pačioje linijoje. Didėjant atstumams, ryšio stiprumas silpnėja, taip pat pastebima stipri įvairių trukdžių įtaka.

indukcinė jungtis

Remiantis magnetiniais klaidžiojančiais induktyvumo laukais. Stebimas tarp objektų, turinčių induktyvumą. Jo taikymas yra gana ribotas dėl trumpo veikimo nuotolio.

Dabartinis ryšys

Dėl sklindančių srovių laidžioje terpėje gali atsirasti tam tikra sąveika. Jei srovės praeina per gnybtus (kontaktų porą), tada tos pačios srovės gali būti aptiktos dideliu atstumu nuo kontaktų. Tai vadinama srovės plitimo efektu.

Tesla ryšys

Garsus fizikas Nikola Tesla išrado ryšį naudodamas bangas laidžiame paviršiuje. Jei kurioje nors plokštumos vietoje pažeidžiamas krūvininkų tankis, tai šie nešikliai pradės judėti, o tai linkę atkurti pusiausvyrą. Kadangi nešikliai yra inercinio pobūdžio, atsigavimas turi banginį pobūdį.

Elektromagnetinė jungtis

Elektromagnetinių bangų spinduliavimas išsiskiria didžiuliu tolimojo veikimo poveikiu, nes jų amplitudė yra atvirkščiai proporcinga atstumui iki šaltinio. Būtent šis belaidžio ryšio būdas yra naudojamas plačiausiai. Bet kas yra elektromagnetinės bangos? Pirmiausia reikia trumpai nukrypti į jų atradimo istoriją.

Kaip „atsirado“ elektromagnetinės bangos?

Viskas prasidėjo 1829 m., kai amerikiečių fizikas Henris, eksperimentuodamas su Leyden stiklainiais, atrado elektros iškrovų trikdžius. 1832 m. fizikas Faradėjus pasiūlė egzistuoti tokį procesą kaip elektromagnetinės bangos. Maxwellas sukūrė savo garsiąsias elektromagnetizmo lygtis 1865 m. Devynioliktojo amžiaus pabaigoje buvo daug sėkmingų bandymų sukurti belaidį ryšį naudojant elektrostatinį ir elektromagnetinė indukcija. Garsusis išradėjas Edisonas sugalvojo sistemą, leidžiančią keleiviams geležinkelis siųsti ir gauti telegramas traukiniui judant. 1888 metais G. Hertzas nedviprasmiškai įrodė, kad elektromagnetinės bangos atsiranda naudojant prietaisą, vadinamą vibratoriumi. Hertz atliko elektromagnetinio signalo perdavimo per atstumą eksperimentą. 1890 metais prancūzų inžinierius ir fizikas Branly išrado prietaisą elektromagnetinei spinduliuotei registruoti. Vėliau šis prietaisas buvo vadinamas „radijo laidininku“ (kohereriu). 1891-1893 metais Nikola Tesla aprašė pagrindinius signalo perdavimo dideliais atstumais principus ir užpatentavo stiebo anteną, kuri buvo elektromagnetinių bangų šaltinis. Kiti nuopelnai tiriant bangas ir jų gamybos bei taikymo techninį įgyvendinimą priklauso tokiems garsiems fizikai ir išradėjai kaip Popovas, Marconi, de Maur, Lodge, Mirhead ir daugelis kitų.

„Elektromagnetinės bangos“ sąvoka

Elektromagnetinė banga yra reiškinys, sklindantis erdvėje tam tikru baigtiniu greičiu ir yra kintamasis elektrinis ir magnetinis laukas. Kadangi magnetiniai ir elektriniai laukai yra neatsiejamai susiję vienas su kitu, jie sudaro elektromagnetinį lauką. Taip pat galima sakyti, kad elektromagnetinė banga yra lauko trikdymas, o jai sklindant energija, kurią turi magnetinis laukas, pagal Maksvelo elektrodinamiką paverčiama elektrinio lauko energija ir atvirkščiai. Išoriškai tai panašu į bet kurios kitos bangos sklidimą bet kurioje kitoje terpėje, tačiau yra ir didelių skirtumų.

Kuo skiriasi elektromagnetinės bangos nuo kitų?

Elektromagnetinių bangų energija sklinda gana nesuprantamoje terpėje. Norint palyginti šias bangas ir bet kurias kitas, būtina suprasti, kokia sklidimo terpė klausime. Daroma prielaida, kad atominė erdvė užpildyta elektriniu eteriu – specifine terpe, kuri yra absoliutus dielektrikas. Visos bangos sklidimo metu rodo kinetinės energijos perėjimą į potencialią energiją ir atvirkščiai. Tuo pačiu metu šios energijos viena kitos atžvilgiu pasislinko maksimaliai laike ir erdvėje ketvirtadaliu visas laikotarpis bangos. Šiuo atveju vidutinė bangos energija, kuri yra potencialo ir suma kinetinė energija yra konstanta. Tačiau su elektromagnetinėmis bangomis situacija yra kitokia. Tiek magnetinio, tiek elektrinio lauko energija pasiekia maksimalias reikšmes vienu metu.

Kaip generuojama elektromagnetinė banga?

Elektromagnetinės bangos medžiaga yra elektrinis laukas (eteris). Judantis laukas yra struktūrizuotas ir susideda iš jo judėjimo energijos ir paties lauko elektros energijos. Taigi potencinė energija bangos, susijusios su kinetine ir faze. Elektromagnetinės bangos prigimtis yra periodinis elektrinis laukas, kuris yra būsenoje judėjimas į priekį erdvėje ir juda su šviesos greitis.

Poslinkio srovės

Yra dar vienas būdas paaiškinti, kas yra elektromagnetinės bangos. Daroma prielaida, kad judant nevienalyčiams elektriniams laukams eteryje atsiranda poslinkio srovės. Jie, žinoma, atsiranda tik nejudančiam išoriniam stebėtojui. Tuo momentu, kai toks parametras kaip elektrinio lauko stipris pasieks savo maksimumą, poslinkio srovė tam tikrame erdvės taške sustos. Atitinkamai, esant minimaliai įtampai, gaunamas atvirkštinis vaizdas. Šis metodas paaiškina bangos prigimtį elektromagnetinė radiacija, nes elektrinio lauko energija poslinkio srovių atžvilgiu pasislenka viena ketvirtadaliu periodo. Tada galime sakyti, kad elektrinis trikdis, tiksliau trikdymo energija, virsta poslinkio srovės energija ir atvirkščiai bei sklinda banginiu būdu dielektrinėje terpėje.