Elektromagnētiskie viļņi un to izplatība. elektromagnētiskais vilnis

M. Faradejs iepazīstināja ar lauka jēdzienu:

elektrostatiskais lauks ap lādiņu miera stāvoklī

ap kustīgiem lādiņiem (strāva) ir magnētiskais lauks.

1830. gadā M. Faradejs atklāja šo fenomenu elektromagnētiskā indukcija: kad tas mainās magnētiskais lauks ir virpulis elektriskais lauks.

2.7. attēls - virpuļveida elektriskais lauks

kur,
- elektriskā lauka intensitātes vektors,
- magnētiskās indukcijas vektors.

Mainīgs magnētiskais lauks rada virpuļveida elektrisko lauku.

1862. gadā D.K. Maksvels izvirzīja hipotēzi: mainoties elektriskais lauks tiek ģenerēts virpuļmagnētiskais lauks.

Radās ideja par vienotu elektromagnētisko lauku.

Attēls 2.8 - Vienots elektromagnētiskais lauks.

Mainīgais elektriskais lauks rada virpuļmagnētisko lauku.

Elektromagnētiskais lauks- šī ir īpaša matērijas forma - elektrisko un magnētisko lauku kombinācija. Mainīgi elektriskie un magnētiskie lauki pastāv vienlaicīgi un veido vienu elektromagnētisko lauku. Tas ir materiāls:

Tas izpaužas darbībā gan miera stāvoklī, gan kustībā;

Tas izplatās ar lielu, bet ierobežotu ātrumu;

Tā pastāv neatkarīgi no mūsu gribas un vēlmēm.

Uzlādes ātrumā, nulle, ir tikai elektriskais lauks. Pie nemainīga uzlādes ātruma tiek ģenerēts elektromagnētiskais lauks.

Paātrinot lādiņa kustību, tiek izstarots elektromagnētiskais vilnis, kas izplatās telpā ar ierobežotu ātrumu .

Elektromagnētisko viļņu idejas attīstība pieder Maksvelam, taču Faradejs jau zināja par to esamību, lai gan baidījās publicēt darbu (tas tika izlasīts vairāk nekā 100 gadus pēc viņa nāves).

Galvenais elektromagnētiskā viļņa rašanās nosacījums ir paātrināta elektrisko lādiņu kustība.

Kas ir elektromagnētiskais vilnis, ir viegli iedomāties šādu piemēru. Ja uz ūdens virsmas izmet oļu, tad uz virsmas veidojas viļņi, kas atšķiras apļos. Tie pārvietojas no to rašanās avota (traucējumi) ar noteiktu izplatīšanās ātrumu. Elektromagnētiskajiem viļņiem traucējumi ir elektriskie un magnētiskie lauki, kas pārvietojas telpā. Laika mainīgs elektromagnētiskais lauks noteikti izraisa mainīgu magnētisko lauku un otrādi. Šie lauki ir savstarpēji saistīti.

Galvenais elektromagnētisko viļņu spektra avots ir Saules zvaigzne. Daļa no elektromagnētisko viļņu spektra redz cilvēka aci. Šis spektrs atrodas 380...780 nm robežās (2.1. att.). Redzamajā spektrā acs gaismu uztver atšķirīgi. Elektromagnētiskās svārstības ar dažādu viļņu garumu izraisa gaismas sajūtu ar dažādām krāsām.

2.9. attēls – elektromagnētisko viļņu spektrs

Daļu no elektromagnētisko viļņu spektra izmanto radio un televīzijas apraidei un sakariem. Elektromagnētisko viļņu avots ir vads (antena), kurā notiek svārstības elektriskie lādiņi. Lauku veidošanās process, kas sākās netālu no stieples, pakāpeniski, punktu pa punktam, aptver visu telpu. Jo augstāka frekvence maiņstrāva ejot cauri vadam un ģenerējot elektrisko vai magnētisko lauku, jo intensīvāki ir noteikta garuma radioviļņi, ko rada vads.

Radio(lat. radio - izstaro, izstaro starus ← rādiuss - stars) - bezvadu sakaru veids, kurā kā signāla nesējs tiek izmantoti radioviļņi, kas brīvi izplatās telpā.

radio viļņi(no radio...), elektromagnētiskie viļņi ar viļņa garumu > 500 µm (frekvence< 6×10 12 Гц).

Radioviļņi ir elektriskie un magnētiskie lauki, kas laika gaitā mainās. Radioviļņu izplatīšanās ātrums brīvā telpā ir 300 000 km/s. Pamatojoties uz to, jūs varat noteikt radioviļņa garumu (m).

λ=300/f, kur f — frekvence (MHz)

Telefona sarunas laikā radītās gaisa skaņas vibrācijas mikrofons pārvērš skaņas frekvences elektriskās vibrācijās, kuras pa vadiem pārraida uz abonenta aprīkojumu. Tur, līnijas otrā galā, ar telefona raidītāja palīdzību tās tiek pārvērstas gaisa vibrācijās, kuras abonents uztver kā skaņas. Telefonijā saziņas līdzekļi ir vadi, radio apraidē radioviļņi.

Jebkuras radiostacijas raidītāja "sirds" ir ģenerators - ierīce, kas ģenerē augstas, bet stingri nemainīgas frekvences svārstības konkrētai radiostacijai. Šīs radiofrekvenču svārstības, pastiprinātas līdz vajadzīgajai jaudai, nonāk antenā un apkārtējā telpā uzbudina tieši tādas pašas frekvences elektromagnētiskās svārstības – radioviļņus. Radioviļņu noņemšanas ātrums no radiostacijas antenas ir vienāds ar gaismas ātrumu: 300 000 km / s, kas ir gandrīz miljons reižu ātrāk nekā skaņas izplatīšanās gaisā. Tas nozīmē, ka, ja kādā brīdī Maskavas apraides stacijā tiktu ieslēgts raidītājs, tad tā radioviļņi Vladivostoku sasniegtu mazāk nekā 1/30 s, un skaņai šajā laikā būtu laiks izplatīties tikai 10-11 m.

Radioviļņi izplatās ne tikai gaisā, bet arī tur, kur tādu nav, piemēram, kosmosā. Ar to tie atšķiras no skaņas viļņi, kam absolūti nepieciešams gaiss vai kāda cita blīva vide, piemēram, ūdens.

elektromagnētiskais vilnis ir elektromagnētiskais lauks, kas izplatās telpā (vektoru svārstības
). Lādiņa tuvumā elektriskais un magnētiskais lauks mainās ar fāzes nobīdi p/2.

2.10. attēls. Vienots elektromagnētiskais lauks.

Lielā attālumā no lādiņa elektriskie un magnētiskie lauki mainās fāzē.

2.11. attēls. Elektrisko un magnētisko lauku izmaiņas vienā fāzē.

Elektromagnētiskais vilnis ir šķērsvirziena. Elektromagnētiskā viļņa ātruma virziens sakrīt ar labās skrūves kustības virzienu, pagriežot vektora karkasa rokturi uz vektoru .

2.12. attēls - elektromagnētiskais vilnis.

Turklāt elektromagnētiskajā viļņā attiecības
, kur c ir gaismas ātrums vakuumā.

Maksvels teorētiski aprēķināja elektromagnētisko viļņu enerģiju un ātrumu.

Pa šo ceļu, viļņu enerģija ir tieši proporcionāla frekvences ceturtajai pakāpei. Tas nozīmē, ka, lai vieglāk fiksētu vilni, tam ir jābūt augstas frekvences.

Elektromagnētiskos viļņus atklāja G. Hercs (1887).

Slēgta svārstību ķēde neizstaro elektromagnētiskos viļņus: visa kondensatora elektriskā lauka enerģija tiek pārvērsta spoles magnētiskā lauka enerģijā. Svārstību frekvenci nosaka oscilācijas ķēdes parametri:
.

Attēls 2.13 - Svārstību ķēde.

Lai palielinātu frekvenci, ir jāsamazina L un C, t.i. pagrieziet spoli uz taisnu vadu un, kā
, samaziniet plākšņu laukumu un izklājiet tās līdz maksimālajam attālumam. Tas parāda, ka mēs būtībā iegūstam taisnu vadītāju.

Šādu ierīci sauc par Hertz vibratoru. Vidus nogriež un savieno ar augstfrekvences transformatoru. Starp vadu galiem, uz kuriem ir piestiprināti nelieli sfēriski vadītāji, lec elektriskā dzirkstele, kas ir elektromagnētiskā viļņa avots. Vilnis izplatās tā, ka elektriskā lauka intensitātes vektors svārstās plaknē, kurā atrodas vadītājs.

Attēls 2.14 - Hertz vibrators.

Ja vienu un to pašu vadītāju (antenu) novieto paralēli emitētājam, tad tajā esošie lādiņi svārstīsies un starp vadītājiem lēks vājas dzirksteles.

Hercs eksperimentā atklāja elektromagnētiskos viļņus un izmērīja to ātrumu, kas sakrita ar Maksvela aprēķināto un vienāds ar c=3. 10 8 m/s.

Maiņstrāvas elektriskais lauks ģenerē mainīgu magnētisko lauku, kas, savukārt, ģenerē mainīgu elektrisko lauku, tas ir, antena, kas ierosina vienu no laukiem, izraisa viena lauka parādīšanos. elektromagnētiskais lauks. Šī lauka vissvarīgākā īpašība ir tā, ka tas izplatās elektromagnētisko viļņu veidā.

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vidē bez zudumiem ir atkarīgs no vides relatīvās dielektriskās un magnētiskās caurlaidības. Gaisam vides magnētiskā caurlaidība ir vienāda ar vienu, tāpēc elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums šajā gadījumā ir vienāds ar gaismas ātrumu.

Antena var būt vertikāls vads, ko darbina augstfrekvences ģenerators. Ģenerators tērē enerģiju, lai paātrinātu brīvo elektronu kustību vadītājā, un šī enerģija tiek pārvērsta mainīgā elektromagnētiskajā laukā, tas ir, elektromagnētiskajos viļņos. Jo augstāka ir ģeneratora strāvas frekvence, jo ātrāk mainās elektromagnētiskais lauks un intensīvāka ir viļņu dzīšana.

Antenas ir savienotas ar vadu kā elektriskais lauks, spēka līnijas kas sākas ar pozitīvu un beidzas ar negatīviem lādiņiem, un magnētiskais lauks, kura līnijas ir noslēgtas ap stieples strāvu. Jo īsāks ir svārstību periods, jo mazāk laika paliek, lai saistīto lauku enerģija atgrieztos vadā (tas ir, ģeneratorā) un jo vairāk tā pāriet brīvos laukos, kas tālāk izplatās elektromagnētisko viļņu veidā. Efektīvs elektromagnētisko viļņu starojums notiek pie viļņa garuma un izstarojošā stieples garuma samērojamības nosacījuma.

Tādējādi var noteikt, ka radio vilnis- tas ir elektromagnētiskais lauks, kas nav saistīts ar emitētāju un kanālu veidojošām ierīcēm, kas brīvi izplatās telpā viļņa veidā ar svārstību frekvenci no 10 -3 līdz 10 12 Hz.

Elektronu svārstības antenā rada periodiski mainīga EML avots ar periodu T. Ja kādā brīdī laukam pie antenas bija maksimālā vērtība, tad pēc kāda laika tam būs tāda pati vērtība T. Šajā laikā elektromagnētiskais lauks, kas pastāvēja sākotnējā brīdī pie antenas, pārvietosies uz attālumu

λ = υТ (1)

Tiek izsaukts minimālais attālums starp diviem telpas punktiem, kur laukam ir vienāda vērtība viļņa garums. Kā izriet no (1), viļņa garums λ ir atkarīgs no tā izplatīšanās ātruma un antenā esošo elektronu svārstību perioda. Jo biežums strāva f = 1/T, tad viļņa garums λ = υ / f .

Radio saite ietver šādas galvenās daļas:

Raidītājs

Uztvērējs

Vide, kurā izplatās radioviļņi.

Raidītājs un uztvērējs ir vadāmi radiosaites elementi, jo ir iespējams palielināt raidītāja jaudu, pieslēgt efektīvāku antenu un palielināt uztvērēja jutību. Medijs ir nekontrolēts radio saites elements.

Atšķirība starp radiosakaru līniju un vadu līnijām ir tāda, ka vadu līnijās kā savienojuma saite tiek izmantoti vadi vai kabeļi, kas ir vadāmi elementi (var mainīt to elektriskos parametrus).

), kas apraksta elektromagnētisko lauku, teorētiski parādīja, ka elektromagnētiskais lauks vakuumā var pastāvēt arī tad, ja nav avotu – lādiņu un strāvu. Laukam bez avotiem ir viļņu forma, kas izplatās ar ierobežotu ātrumu, kas vakuumā ir vienāds ar gaismas ātrumu: Ar= 299792458±1,2 m/s. Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātruma vakuumā sakritība ar iepriekš izmērīto gaismas ātrumu ļāva Maksvelam secināt, ka gaisma ir elektromagnētiskie viļņi. Šis secinājums vēlāk veidoja gaismas elektromagnētiskās teorijas pamatu.

1888. gadā elektromagnētisko viļņu teorija saņēma eksperimentālu apstiprinājumu G. Herca eksperimentos. Izmantojot augstsprieguma avotu un vibratorus (skat. Hertz vibratoru), Hertz spēja veikt smalkus eksperimentus, lai noteiktu elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrumu un tā garumu. Eksperimentāli tika apstiprināts, ka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu, kas pierādīja gaismas elektromagnētisko raksturu.

tas ir elektromagnētiskās mijiedarbības izplatīšanās process telpā.
Elektromagnētiskie viļņi ir aprakstīti kopīgi elektromagnētiskās parādības Maksvela vienādojumi. Pat ja kosmosā nav elektrisko lādiņu un strāvu, Maksvela vienādojumiem ir risinājumi, kas atšķiras no nulles. Šie risinājumi apraksta elektromagnētiskos viļņus.
Ja nav lādiņu un strāvu, Maksvela vienādojumi ir šādā formā:

,

Pielietojot operāciju rot pirmajiem diviem vienādojumiem, var iegūt atsevišķus vienādojumus elektriskā un magnētiskā lauka stipruma noteikšanai

Šiem vienādojumiem ir tipiska forma viļņu vienādojumi. To atsaistes ir šāda veida izteiksmju superpozīcija

Kur - noteikts vektors, ko sauc par viļņu vektoru,? - skaitlis, ko sauc par ciklisko frekvenci, ? - fāze. Lielumi ir elektromagnētiskā viļņa elektrisko un magnētisko komponentu amplitūdas. Tie ir savstarpēji perpendikulāri un vienādi pēc absolūtās vērtības. Katra ievadītā daudzuma fiziskā interpretācija ir sniegta zemāk.
Vakuumā elektromagnētiskais vilnis pārvietojas ar ātrumu, ko sauc par gaismas ātrumu. Gaismas ātrums ir fundamentāla fiziskā konstante, kas tiek apzīmēta Latīņu burts c. Saskaņā ar relativitātes teorijas pamatpostulātu gaismas ātrums ir maksimālais iespējamais informācijas pārraides vai ķermeņa kustības ātrums. Šis ātrums ir 299 792 458 m/s.
Elektromagnētisko viļņu raksturo frekvence. Atšķirt līnijas frekvenci? un cikliskā frekvence? = 2??. Atkarībā no frekvences elektromagnētiskie viļņi pieder vienam no spektrālajiem diapazoniem.
Vēl viena elektromagnētiskā viļņa īpašība ir viļņu vektors. Viļņu vektors nosaka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās virzienu, kā arī tā garumu. Vēja vektora absolūto vērtību sauc par viļņa skaitli.
Elektromagnētiskā viļņa garums? = 2? / k, kur k ir viļņa skaitlis.
Elektromagnētiskā viļņa garums ir saistīts ar frekvenci, izmantojot dispersijas likumu. Tukšumā šis savienojums ir vienkāršs:

?? = c.

Šo attiecību bieži raksta kā

? = c k.

Elektromagnētiskie viļņi ar vienādu frekvenci un viļņu vektoru var atšķirties fāzē.
Vakuumā elektromagnētiskā viļņa elektriskā un magnētiskā lauka stipruma vektori noteikti ir perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam. Tādus viļņus sauc bīdes viļņi. Matemātiski to raksturo vienādojumi un . Turklāt elektriskā un magnētiskā lauka stiprumi ir perpendikulāri viens otram un vienmēr ir vienādi absolūtā vērtībā jebkurā telpas punktā: E = H. Ja izvēlaties koordinātu sistēmu tā, lai z ass sakristu ar izplatīšanās virzienu. no elektromagnētiskā viļņa ir divi dažādas iespējas elektriskā lauka intensitātes vektoru virzieniem. Ja eklektiskais lauks ir vērsts pa x asi, tad magnētiskais lauks tiks virzīts pa y asi un otrādi. Šīs divas dažādās iespējas nav viena otru izslēdzošas un atbilst divām dažādām polarizācijām. Šis jautājums ir sīkāk apspriests rakstā Viļņu polarizācija.
Spektrālie diapazoni ar izvēlētu redzamo gaismu Atkarībā no frekvences vai viļņa garuma (šie lielumi ir saistīti) elektromagnētiskos viļņus klasificē dažādos diapazonos. Viļņi dažādos diapazonos dažādos veidos mijiedarbojas ar fiziskajiem ķermeņiem.
Elektromagnētiskos viļņus ar zemāko frekvenci (vai garāko viļņa garumu) sauc par radio diapazons. Radio joslu izmanto, lai pārraidītu signālus no attāluma, izmantojot radio, televīziju, Mobilie tālruņi. Radars darbojas radio diapazonā. Radio diapazons ir sadalīts metros, ditsemetros, centimetros, milimetros atkarībā no elektromagnētiskā viļņa garuma.
Elektromagnētiskie viļņi, visticamāk, pieder pie infrasarkanā diapazona. Infrasarkanajā diapazonā atrodas ķermeņa termiskais starojums. Šīs vibrācijas reģistrācija ir nakts redzamības ierīču darbības pamats. Infrasarkanie viļņi tiek izmantoti, lai pētītu termiskās vibrācijas ķermeņos un palīdzētu noteikt atomu struktūru. cietvielas, gāzes un šķidrumi.
Elektromagnētiskais starojums ar viļņa garumu no 400 nm līdz 800 nm pieder pie redzamās gaismas diapazona. Redzamajai gaismai ir dažādas krāsas atkarībā no frekvences un viļņa garuma.
Tiek saukti viļņu garumi, kas mazāki par 400 nm ultravioletais. Cilvēka acs tos neatšķir, lai gan to īpašības neatšķiras no redzamā diapazona viļņu īpašībām. Šādas gaismas augstā frekvence un līdz ar to arī kvantu enerģija izraisa ultravioleto viļņu postošāku ietekmi uz bioloģiskiem objektiem. Zemes virsma ir aizsargāta no kaitīgo ietekmi ultravioletie viļņi ar ozona slāni. Papildu aizsardzībai daba cilvēkus apveltīja ar tumšu ādu. Tomēr ultravioletie stari cilvēkam nepieciešams D vitamīna ražošanai. Tāpēc cilvēki in ziemeļu platuma grādos, kur ultravioleto viļņu intensitāte ir mazāka, zaudēja ādas tumšo krāsu.
Augstākas frekvences elektromagnētiskie viļņi ir rentgens diapazons. Tos tā sauc, jo tos atklāja Rentgens, pētot starojumu, kas veidojas elektronu palēninājuma laikā. Ārzemju literatūrā šādus viļņus sauc rentgenstari respektējot Rentgena vēlmi, lai stari viņu nesauc vārdā. Rentgenstaru viļņi vāji mijiedarbojas ar vielu, un tie tiek absorbēti spēcīgāk vietās, kur blīvums ir lielāks. Šo faktu medicīnā izmanto rentgena fluorogrāfijai. Rentgena viļņus izmanto arī elementu analīzei un kristālisko ķermeņu struktūras izpētei.
ir visaugstākā frekvence un īsākais garums ?-stariem. Rezultātā rodas šie stari kodolreakcijas un reakcijas starp elementārdaļiņas. ?-stariem ir liela postoša ietekme uz bioloģiskiem objektiem. Tomēr tos izmanto fizikā, lai pētītu dažādas īpašības atoma kodols.
Elektromagnētiskā viļņa enerģiju nosaka elektriskā un magnētiskā lauka enerģiju summa. Enerģijas blīvumu noteiktā telpas punktā nosaka:

.

Laika vidējais enerģijas blīvums ir vienāds ar.

,

Kur E 0 = H 0 ir viļņa amplitūda.
Svarīgums ir elektromagnētiskā viļņa enerģijas plūsmas blīvums. Jo īpaši tas nosaka gaismas plūsmu optikā. Elektromagnētiskā viļņa enerģijas plūsmas blīvumu nosaka Umova-Pointinga vektors.

Elektromagnētisko viļņu izplatībai vidē ir vairākas pazīmes, salīdzinot ar izplatīšanos vakuumā. Šīs pazīmes ir saistītas ar vides īpašībām un parasti ir atkarīgas no elektromagnētiskā viļņa frekvences. Viļņa elektriskās un magnētiskās sastāvdaļas izraisa vides polarizāciju un magnetizāciju. Šī barotnes reakcija zemu un augstu frekvenču gadījumā nav vienāda. Zemā elektromagnētiskā viļņa frekvencē vielas elektroniem un joniem ir laiks reaģēt uz elektriskā un magnētiskā lauka intensitātes izmaiņām. Vides reakcija izseko laika svārstības viļņos. Augstā frekvencē vielas elektroniem un joniem nav laika novirzīties viļņu lauku svārstību periodā, un tāpēc vides polarizācija un magnetizācija ir daudz mazāka.
Zemfrekvences elektromagnētiskais lauks neiekļūst metālos, kur ir daudz brīvo elektronu, kas šādā veidā tiek izspiesti, pilnībā dzēš elektromagnētisko vilni. Elektromagnētiskais vilnis sāk iekļūt metālā ar frekvenci, kas pārsniedz noteiktu frekvenci, ko sauc par plazmas frekvenci. Frekvencēs, kas ir zemākas par plazmas frekvenci, elektromagnētiskais vilnis var iekļūt metāla virsmas slānī. Šo parādību sauc par ādas efektu.
Dielektrikā mainās elektromagnētiskā viļņa dispersijas likums. Ja elektromagnētiskie viļņi vakuumā izplatās ar nemainīgu amplitūdu, tad vidē tie samazinās absorbcijas dēļ. Šajā gadījumā viļņa enerģija tiek pārnesta uz vides elektroniem vai joniem. Kopumā dispersijas likums, ja nav magnētisko efektu, izpaužas

Kur viļņa skaitlis k ir kopējais kompleksais lielums, kura iedomātā daļa raksturo elektromagnētiskā viļņa amplitūdas samazināšanos, ir no frekvences atkarīga vides kompleksā caurlaidība.
Anizotropās vidēs elektrisko un magnētisko lauku vektoru virziens ne vienmēr ir perpendikulārs viļņu izplatīšanās virzienam. Tomēr elektriskās un magnētiskās indukcijas vektoru virziens saglabā šo īpašību.
Vidē noteiktos apstākļos var izplatīties cita veida elektromagnētiskais vilnis - gareniskais elektromagnētiskais vilnis, kuram elektriskā lauka intensitātes vektora virziens sakrīt ar viļņa izplatīšanās virzienu.
Divdesmitā gadsimta sākumā, lai izskaidrotu melnā ķermeņa starojuma spektru, Makss Planks ierosināja, ka elektromagnētiskos viļņus izstaro kvanti, kuru enerģija ir proporcionāla frekvencei. Dažus gadus vēlāk Alberts Einšteins, skaidrojot fotoelektriskā efekta fenomenu, paplašināja šo ideju, pieņemot, ka elektromagnētiskos viļņus absorbē tie paši kvanti. Tādējādi kļuva skaidrs, ka elektromagnētiskajiem viļņiem ir raksturīgas dažas īpašības, kas iepriekš tika attiecinātas uz materiāla daļiņām, asinsķermenīšiem.
Šo ideju sauc par korpuskulāro viļņu duālismu.

Tikai daži cilvēki zina, ka elektromagnētiskais starojums caurstrāvo visu Visumu. Elektromagnētiskie viļņi rodas, kad tie izplatās kosmosā. Atkarībā no viļņu svārstību frekvences tos nosacīti iedala redzamajā gaismā, radiofrekvenču spektrā, infrasarkanajos diapazonos u.c. Elektromagnētisko viļņu praktisko esamību 1880. gadā empīriski pierādīja vācu zinātnieks G. Hercs (starp citu, frekvence vienība ir nosaukta viņa vārdā).

No fizikas kursa ir zināms, kas ir īpašs veids jautājums. Neskatoties uz to, ka ar redzi var redzēt tikai nelielu daļu no tā, tā ietekme uz materiālā pasaule milzīgs. Elektromagnētiskie viļņi ir magnētiskā un elektriskā lauka mijiedarbības vektoru secīga izplatīšanās telpā. Tomēr vārds "izplatījums" šajā gadījumā nav pilnīgi pareizs: tas drīzāk ir par viļņveidīgu telpas perturbāciju. Iemesls, kas rada elektromagnētiskos viļņus, ir elektriskā lauka parādīšanās telpā, kas laika gaitā mainās. Un, kā zināms, starp elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem pastāv tieša saistība. Pietiek atgādināt noteikumu, saskaņā ar kuru ap jebkuru vadītāju ar strāvu ir magnētiskais lauks. Daļiņa, kuru ietekmē elektromagnētiskie viļņi, sāk svārstīties, un, tā kā notiek kustība, tas nozīmē, ka notiek enerģijas starojums. Elektriskais lauks w miera stāvoklī tiek pārnests uz blakus esošo daļiņu, kā rezultātā atkal tiek ģenerēts elektriska rakstura lauks. Un tā kā lauki ir savstarpēji saistīti, seko magnētiskais. Process izplatās kā lavīna. Šajā gadījumā nav īstas kustības, bet ir daļiņu vibrācijas.

Par iespēju praktiska izmantošana fiziķi par to ir domājuši jau ilgu laiku. AT mūsdienu pasaule Elektromagnētisko viļņu enerģija tiek izmantota tik plaši, ka daudzi to pat nepamana, uzskatot par pašsaprotamu. Spilgts piemērs ir radioviļņi, bez kuriem televizoru un mobilo tālruņu darbība nebūtu iespējama.

Process notiek šādi: modulēts metāla vadītājs (antena) tiek nepārtraukti pārraidīts uz īpašas formas metāla vadītāju, pateicoties elektriskās strāvas īpašībām, ap vadītāju rodas elektriskais lauks un pēc tam magnētiskais lauks, kā kā rezultātā tiek izstaroti elektromagnētiskie viļņi. Tā kā tas ir modulēts, tiem ir noteikta secība, kodēta informācija. Lai uztvertu vēlamās frekvences, pie adresāta tiek uzstādīta īpaša dizaina uztvērēja antena. Tas ļauj izvēlēties vajadzīgās frekvences no vispārējā elektromagnētiskā fona. Nokļūstot uz metāla uztvērēja, viļņi tiek daļēji pārvērsti par elektrība sākotnējā modulācija. Pēc tam viņi dodas uz pastiprināšanas bloku un kontrolē ierīces darbību (pārvieto skaļruņa konusu, pagriež elektrodus televizora ekrānos).

No elektromagnētiskajiem viļņiem radīto strāvu var viegli redzēt. Lai to izdarītu, pietiek ar to, ka kails dzīvojamais kabelis, kas iet no antenas uz uztvērēju, pieskaras kopējai masai (sildīšanas akumulatori. Šajā brīdī starp masu un serdi izlec dzirkstele - tā ir ģenerētās strāvas izpausme ar antenu.Jo lielāka tā vērtība,jo tuvāks un jaudīgāks ir raidītājs.Arī antenas konfigurācijai ir būtiska ietekme.

Vēl viena elektromagnētisko viļņu izpausme, ar kuru ikdienā saskaras daudzi cilvēki, ir tā izmantošana mikroviļņu krāsns. Rotējošās lauka intensitātes līnijas šķērso objektu un nodod daļu savas enerģijas, sildot to.

Elektromagnētiskie viļņi, saskaņā ar fiziku, ir vieni no noslēpumainākajiem. Tajos enerģija faktiski pazūd nekurienē, parādās no nekurienes. Visā zinātnē nav cita līdzīga objekta. Kā notiek visas šīs brīnumainās pārvērtības?

Maksvela elektrodinamika

Viss sākās ar to, ka zinātnieks Maksvels tālajā 1865. gadā, paļaujoties uz Faradeja darbu, atvasināja elektromagnētiskā lauka vienādojumu. Pats Maksvels uzskatīja, ka viņa vienādojumi apraksta viļņu vērpes un spriegumu ēterī. Divdesmit trīs gadus vēlāk Hercs eksperimentāli radīja šādus traucējumus vidē, un viņam izdevās ne tikai saskaņot tos ar elektrodinamikas vienādojumiem, bet arī iegūt likumus, kas regulē šo traucējumu izplatīšanos. Ir radusies ziņkārīga tendence visus traucējumus, kam ir elektromagnētisks raksturs, pasludināt par Herca viļņiem. Tomēr šie starojumi nav vienīgais veids, kā veikt enerģijas pārnesi.

Bezvadu savienojums

Līdz šim, līdz iespējasšādu bezvadu sakaru ieviešana ietver:

Elektrostatiskā sakabe, ko sauc arī par kapacitatīvo;

indukcija;

strāva;

Tesla savienojums, tas ir, elektronu blīvuma viļņu savienojums gar vadošām virsmām;

Plašākais izplatītāko nesēju klāsts, ko sauc par elektromagnētiskajiem viļņiem - no īpaši zemām frekvencēm līdz gamma starojumam.

Ir vērts sīkāk apsvērt šāda veida savienojumus.

Elektrostatiskā saite

Divi dipoli ir savienoti elektriskie spēki telpā, kas ir Kulona likuma sekas. No elektromagnētiskajiem viļņiem dotais tips komunikācija izceļas ar spēju savienot dipolus, kad tie atrodas vienā līnijā. Palielinoties attālumiem, savienojuma stiprums samazinās, un tiek novērota arī spēcīga dažādu traucējumu ietekme.

induktīvā sakabe

Pamatojoties uz magnētiskiem izkliedētiem induktivitātes laukiem. Novērots starp objektiem, kuriem ir induktivitāte. Tā pielietojums ir diezgan ierobežots, pateicoties nelielai darbībai.

Pašreizējais savienojums

Izkliedējošās strāvas dēļ vadošā vidē var rasties noteikta mijiedarbība. Ja strāvas tiek izvadītas caur spailēm (kontaktu pāri), tad šīs pašas strāvas var noteikt ievērojamā attālumā no kontaktiem. To sauc par strāvas izplatīšanās efektu.

Tesla savienojums

Slavenais fiziķis Nikola Tesla izgudroja saziņu, izmantojot viļņus uz vadošas virsmas. Ja kādā plaknes vietā tiek traucēts lādiņnesēja blīvums, tad šie nesēji sāks kustēties, kas tiecas atjaunot līdzsvaru. Tā kā nesējiem ir inerciāls raksturs, atveseļošanai ir viļņveida raksturs.

Elektromagnētiskais savienojums

Elektromagnētisko viļņu starojums izceļas ar milzīgu liela attāluma darbību, jo to amplitūda ir apgriezti proporcionāla attālumam līdz avotam. Tā ir šī bezvadu sakaru metode, kas tiek izmantota visplašāk. Bet kas ir elektromagnētiskie viļņi? Vispirms jums ir jāveic īsa atkāpe to atklāšanas vēsturē.

Kā "parādījās" elektromagnētiskie viļņi?

Viss sākās 1829. gadā, kad amerikāņu fiziķis Henrijs atklāja traucējumus elektriskās izlādes eksperimentos ar Leidenas burciņām. 1832. gadā fiziķis Faradejs ierosināja tāda procesa esamību kā elektromagnētiskie viļņi. Maksvels radīja savus slavenos elektromagnētisma vienādojumus 1865. gadā. Deviņpadsmitā gadsimta beigās bija daudzi veiksmīgi mēģinājumi izveidot bezvadu sakarus, izmantojot elektrostatisko un elektromagnētisko indukciju. Slavenais izgudrotājs Edisons nāca klajā ar sistēmu, kas ļāva pasažieriem dzelzceļš nosūtīt un saņemt telegrammas, kamēr vilciens kustas. 1888. gadā G. Hercs nepārprotami pierādīja, ka elektromagnētiskie viļņi parādās, izmantojot ierīci, ko sauc par vibratoru. Hercs veica eksperimentu par elektromagnētiskā signāla pārraidi attālumā. 1890. gadā inženieris un fiziķis Brenlijs no Francijas izgudroja ierakstīšanas ierīci elektromagnētiskā radiācija. Pēc tam šo ierīci sauca par "radio vadītāju" (kohereri). 1891.-1893.gadā Nikola Tesla aprakstīja pamatprincipus signālu pārraidīšanai lielos attālumos un patentēja masta antenu, kas bija elektromagnētisko viļņu avots. Papildu nopelni viļņu izpētē un to ražošanas un pielietojuma tehniskajā īstenošanā pieder tādiem slaveniem fiziķiem un izgudrotājiem kā Popovs, Markoni, de Mors, Lodža, Mirheds un daudziem citiem.

Jēdziens "elektromagnētiskais vilnis"

Elektromagnētiskais vilnis ir parādība, kas izplatās telpā ar noteiktu ierobežotu ātrumu un ir mainīgs elektriskais un magnētiskais lauks. Tā kā magnētiskie un elektriskie lauki ir nesaraujami saistīti viens ar otru, tie veido elektromagnētisko lauku. Var arī teikt, ka elektromagnētiskais vilnis ir lauka perturbācija, un tā izplatīšanās laikā magnētiskā lauka enerģija tiek pārvērsta elektriskā lauka enerģijā un otrādi, saskaņā ar Maksvela elektrodinamiku. Ārēji tas ir līdzīgs jebkura cita viļņa izplatībai jebkurā citā vidē, taču pastāv arī būtiskas atšķirības.

Kāda ir atšķirība starp elektromagnētiskajiem viļņiem un citiem?

Elektromagnētisko viļņu enerģija izplatās diezgan nesaprotamā vidē. Lai salīdzinātu šos viļņus un citus, ir jāsaprot, kāda ir izplatīšanās vide jautājumā. Tiek pieņemts, ka intraatomiskā telpa ir piepildīta ar elektrisko ēteri - noteiktu vidi, kas ir absolūts dielektrisks. Visi viļņi izplatīšanās laikā parāda kinētiskās enerģijas pāreju potenciālajā enerģijā un otrādi. Tajā pašā laikā šīs enerģijas ir nobīdījušas maksimumu laikā un telpā viena pret otru par vienu ceturtdaļu pilns periods viļņi. Šajā gadījumā vidējā viļņa enerģija, kas ir potenciālās un kinētiskās enerģijas summa, ir nemainīga vērtība. Bet ar elektromagnētiskajiem viļņiem situācija ir atšķirīga. Gan magnētiskā, gan elektriskā lauka enerģija sasniedz maksimālo vērtību vienlaicīgi.

Kā rodas elektromagnētiskais vilnis?

Elektromagnētiskā viļņa viela ir elektriskais lauks (ēteris). Kustīgais lauks ir strukturēts un sastāv no tā kustības enerģijas un elektriskā enerģija pats lauks. Tāpēc viļņa potenciālā enerģija ir saistīta ar kinētisko enerģiju un atrodas fāzē. Elektromagnētiskā viļņa būtība ir periodisks elektriskais lauks, kas atrodas translācijas kustības stāvoklī telpā un pārvietojas ar gaismas ātrumu.

Nobīdes strāvas

Ir vēl viens veids, kā izskaidrot, kas ir elektromagnētiskie viļņi. Tiek pieņemts, ka neviendabīgu elektrisko lauku kustības laikā ēterī rodas nobīdes strāvas. Tie rodas, protams, tikai stacionāram ārējam novērotājam. Brīdī, kad tāds parametrs kā elektriskā lauka stiprums sasniegs maksimumu, pārvietošanās strāva noteiktā telpas punktā apstāsies. Attiecīgi ar minimālu spriegumu tiek iegūts apgrieztais attēls. Šī pieeja precizē elektromagnētiskā starojuma viļņu raksturu, jo izrādās, ka elektriskā lauka enerģija ir nobīdīta par vienu ceturtdaļu perioda attiecībā pret nobīdes strāvām. Tad mēs varam teikt, ka elektriskais traucējums, pareizāk sakot, traucējuma enerģija tiek pārveidota par nobīdes strāvas enerģiju un otrādi un izplatās viļņveidīgi dielektriskā vidē.