Czym są fale elektromagnetyczne? Fala elektromagnetyczna to proces rozchodzenia się pola elektromagnetycznego w przestrzeni.

Fale elektromagnetyczne są wynikiem wieloletnich debat i tysięcy eksperymentów. Dowód na obecność sił naturalnego pochodzenia, które mogą zmienić obecne społeczeństwo. To jest faktyczna akceptacja prostej prawdy – zbyt mało wiemy o świecie, w którym żyjemy.

Fizyka jest królową wśród nauk przyrodniczych, potrafiącą odpowiedzieć na pytania o pochodzenie nie tylko życia, ale i samego świata. Daje naukowcom możliwość badania pól elektrycznych i magnetycznych, których oddziaływanie generuje EMW (fale elektromagnetyczne).

Co to jest fala elektromagnetyczna

Nie tak dawno na ekrany naszego kraju wszedł film „Wojna prądów” (2018), w którym z odrobiną fikcji opowiada o sporze między dwoma wielkimi naukowcami Edisonem i Teslą. Próbowano udowodnić korzyści z prąd stały, druga - ze zmiennej. Ta długa bitwa zakończyła się dopiero w siódmym roku XXI wieku.

Na samym początku „bitwy” inny naukowiec zajmujący się teorią względności określił elektryczność i magnetyzm jako podobne zjawiska.

W trzydziestym roku XIX wieku fizyk angielskie pochodzenie Faraday odkrył to zjawisko Indukcja elektromagnetyczna i wprowadził pojęcie jedności pola elektrycznego i magnetycznego. Twierdził też, że ruch w tej dziedzinie jest ograniczony prędkością światła.

Nieco później teoria angielskiego naukowca Maxwella mówi, że elektryczność powoduje efekt magnetyczny, a magnetyzm powoduje pojawienie się pole elektryczne. Ponieważ oba te pola poruszają się w przestrzeni i czasie, tworzą perturbacje – czyli fale elektromagnetyczne.

Mówiąc najprościej, fala elektromagnetyczna jest przestrzennym zaburzeniem elektrycznym pole magnetyczne.

Eksperymentalnie istnienie EMW udowodnił niemiecki naukowiec Hertz.

Fale elektromagnetyczne, ich właściwości i charakterystyka

Fale elektromagnetyczne charakteryzują się następującymi czynnikami:

długość (wystarczająco szeroki zakres);
częstotliwość;
intensywność (lub amplituda oscylacji);
ilość energii.

Główną właściwością całego promieniowania elektromagnetycznego jest długość fali (w próżni), która zwykle jest podawana w nanometrach dla widma światła widzialnego.

Każdy nanometr odpowiada jednej tysięcznej mikrometra i jest mierzony odległością między dwoma kolejnymi pikami (wierzchołkami).

Odpowiednia częstotliwość promieniowania fali to liczba oscylacji sinusoidalnych i odwrotnie proporcjonalna do długości fali.

Częstotliwość jest zwykle mierzona w hercach. Zatem dłuższe fale odpowiadają niższej częstotliwości promieniowania, a krótsze fale odpowiadają wyższej częstotliwości promieniowania.

Główne właściwości fal:

refrakcja;
odbicie;
wchłanianie;
ingerencja.

prędkość fali elektromagnetycznej

Rzeczywista prędkość propagacji fali elektromagnetycznej zależy od materiału, jakim dysponuje ośrodek, jego gęstości optycznej oraz obecności takiego czynnika jak ciśnienie.

Oprócz, różne materiały mają różną gęstość „upakowania” atomów, im bliżej się znajdują, tym odległość jest mniejsza, a prędkość większa. W rezultacie prędkość fali elektromagnetycznej zależy od materiału, przez który przechodzi.

Podobne eksperymenty przeprowadza się w zderzaczu hadronów, gdzie głównym instrumentem oddziaływania jest naładowana cząstka. Studia nad zjawiska elektromagnetyczne zachodzi tam na poziomie kwantowym, kiedy światło rozkłada się na drobne cząstki - fotony. Jednak fizyka kwantowa to osobna kwestia.

Zgodnie z teorią względności najwyższa prędkość propagacji fali nie może przekraczać prędkości światła. Skończoność ograniczenia prędkości w swoich pismach opisał Maxwell, tłumacząc to obecnością nowego pola – eteru. Współczesna oficjalna nauka nie zbadała jeszcze takiego związku.

Promieniowanie elektromagnetyczne i jego rodzaje

Promieniowanie elektromagnetyczne składa się z fal elektromagnetycznych, które są obserwowane jako fluktuacje pól elektrycznych i magnetycznych, rozchodzące się z prędkością światła (300 km na sekundę w próżni).

Kiedy promieniowanie EM wchodzi w interakcję z materią, jego zachowanie zmienia się jakościowo wraz ze zmianą częstotliwości. Dlaczego jest konwertowany na:

Emisja radiowa. Na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych promieniowanie em oddziałuje z materią głównie w postaci wspólnego zestawu ładunków, które są rozłożone na duża liczba dotknięte atomy.
Promieniowanie podczerwone. W przeciwieństwie do promieniowania radiowego i mikrofalowego o niskiej częstotliwości, emiter podczerwieni zwykle oddziałuje z dipolami obecnymi w poszczególnych cząsteczkach, które zmieniają się na końcach podczas wibracji. wiązanie chemiczne na poziomie atomowym.
Widoczna emisja światła. Wraz ze wzrostem częstotliwości w zakresie widzialnym fotony mają wystarczającą energię, aby zmienić związaną strukturę niektórych pojedynczych cząsteczek.
Promieniowanie ultrafioletowe. Częstotliwość wzrasta. W fotonach ultrafioletowych (powyżej trzech woltów) jest teraz wystarczająco dużo energii, aby podwójnie oddziaływać na wiązania molekuł, nieustannie zmieniając ich kolejność chemiczną.
Promieniowanie jonizujące. Przy najwyższych częstotliwościach i najmniejszej długości fali. Absorpcja tych promieni przez materię wpływa na całe widmo gamma. Najbardziej znanym efektem jest promieniowanie.

Jakie jest źródło fal elektromagnetycznych

Świat, zgodnie z młodą teorią powstania wszystkiego, powstał dzięki impulsowi. Uwolnił kolosalną energię, którą nazwano wielką eksplozją. Tak pojawiła się pierwsza w historii wszechświata fala em-fala.

Obecnie źródła powstawania zaburzeń obejmują:

emv emituje sztuczny wibrator;
wynik wibracji grup atomowych lub części cząsteczek;
jeśli ma to wpływ na powłoka zewnętrzna substancje (na poziomie atomowo-cząsteczkowym);
efekt podobny do światła;
podczas rozpadu jądrowego;
konsekwencja spowolnienia elektronów.

Skala i zastosowanie promieniowania elektromagnetycznego

Skala promieniowania oznacza szeroki zakres częstotliwości fal od 3,10 6 ÷ 10 -2 do 10 -9 ÷ 10 -14 .

Każda część widma elektromagnetycznego ma szerokie zastosowanie w naszym codziennym życiu:

Fale o małej długości (mikrofale). Te fale elektryczne są wykorzystywane jako sygnał satelitarny, ponieważ są w stanie ominąć ziemską atmosferę. Również nieco ulepszona wersja służy do ogrzewania i gotowania w kuchni - jest to kuchenka mikrofalowa. Zasada przygotowania jest prosta - pod działaniem promieniowanie mikrofalowe cząsteczki wody są wchłaniane i przyspieszane, co powoduje nagrzewanie się potrawy.
Perturbacje długie są wykorzystywane w technologiach radiowych (fale radiowe). Ich częstotliwość nie przepuszcza chmur i atmosfery, dzięki czemu dostępne jest dla nas radio FM i telewizja.
Zakłócenie podczerwieni jest bezpośrednio związane z ciepłem. Widoczne go jest prawie niemożliwe. Postaraj się zauważyć bez specjalnego sprzętu wiązkę z pilota telewizora, centrum muzycznego lub radia w samochodzie. Urządzenia zdolne do odczytywania takich fal są używane w armiach krajów (noktowizor). Również w kuchenkach indukcyjnych w kuchniach.
Ultrafiolet jest również związany z ciepłem. Najpotężniejszym naturalnym „generatorem” takiego promieniowania jest słońce. To z powodu działania promieniowania ultrafioletowego na skórze człowieka powstaje opalenizna. W medycynie ten rodzaj fali jest używany do dezynfekcji narzędzi, zabijania zarazków i.
Promieniowanie gamma to najpotężniejszy rodzaj promieniowania, w którym koncentruje się krótkofalowe zaburzenie o wysokiej częstotliwości. Energia zawarta w tej części widma elektromagnetycznego nadaje promieniom większą siłę przenikania. Obowiązuje w Fizyka nuklearna- pokojowa broń nuklearna - użycie bojowe.

Wpływ fal elektromagnetycznych na zdrowie człowieka

Pomiar wpływu emv na ludzi jest obowiązkiem naukowców. Ale nie trzeba być specjalistą, aby ocenić intensywność promieniowania jonizującego - wywołuje zmiany na poziomie ludzkiego DNA, co pociąga za sobą tak poważne choroby jak onkologia.

Nic dziwnego, że szkodliwy wpływ katastrofy w Czarnobylu jest uważany za jeden z najbardziej niebezpiecznych dla przyrody. Kilka kilometrów kwadratowych niegdyś pięknego terytorium stało się strefą całkowitego wykluczenia. Do końca wieku eksplozja w elektrowni jądrowej w Czarnobylu jest niebezpieczna, dopóki nie zakończy się okres półtrwania radionuklidów.

Niektóre rodzaje emv (radiowe, podczerwone, ultrafioletowe) nie wyrządzają dużej szkody osobie i są jedynie dyskomfortem. W końcu pole magnetyczne ziemi praktycznie nie jest przez nas odczuwane, ale emv z telefon komórkowy może powodować bół głowy(wpływ na układ nerwowy).

Aby chronić swoje zdrowie przed elektromagnetyzmem, powinieneś po prostu zachować rozsądne środki ostrożności. Zamiast setek godzin grania w grę komputerową, wyjdź na spacer.

W 1864 roku James Clerk Maxwell przewidział możliwość istnienia fal elektromagnetycznych w kosmosie. Wysunął to stwierdzenie na podstawie wniosków wynikających z analizy wszystkich znanych wówczas danych eksperymentalnych dotyczących elektryczności i magnetyzmu.

Maxwell matematycznie zunifikował prawa elektrodynamiki, łącząc elektryczne i zjawiska magnetyczne, a tym samym doszli do wniosku, że zmieniające się w czasie pola elektryczne i magnetyczne wzajemnie się tworzą.

Początkowo podkreślał fakt, że związek między magnetyzmem a zjawiska elektryczne nie jest symetryczny i wprowadził termin „wir” pole elektryczne”, oferując własne, naprawdę nowe wyjaśnienie zjawiska indukcji elektromagnetycznej odkrytego przez Faradaya: „każda zmiana pola magnetycznego prowadzi do pojawienia się w otaczającej przestrzeni wirowego pola elektrycznego o zamkniętym linie siły».

Według Maxwella słuszne było stwierdzenie odwrotne, że „zmieniające się pole elektryczne powoduje powstanie pola magnetycznego w otaczającej przestrzeni”, ale to stwierdzenie pozostało początkowo tylko hipotezą.

Maxwell spisał system równań matematycznych, które konsekwentnie opisywały prawa wzajemnych przemian pól magnetycznych i elektrycznych, równania te później stały się podstawowymi równaniami elektrodynamiki i stały się znane jako „równania Maxwella” na cześć wielkiego naukowca, który je spisał . Hipoteza Maxwella, oparta na spisanych równaniach, zawierała kilka niezwykle ważnych dla nauki i techniki wniosków, które podano poniżej.

Fale elektromagnetyczne naprawdę istnieją

W kosmosie mogą istnieć poprzeczne fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się w czasie. O tym, że fale są poprzeczne, świadczy fakt, że wektory indukcji magnetycznej B i natężenia pola elektrycznego E są wzajemnie prostopadłe i leżą w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali elektromagnetycznej.

Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w materii jest skończona i zależy od wartości elektrycznych i właściwości magnetyczne materiał, przez który rozchodzi się fala. W tym przypadku długość fali sinusoidalnej λ jest powiązana z prędkością υ pewną dokładną zależnością λ = υ / f i zależy od częstotliwości f oscylacji pola. Prędkość c fali elektromagnetycznej w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych - prędkością światła w próżni.

Ponieważ Maxwell deklarował skończoność prędkości propagacji fali elektromagnetycznej, tworzyło to sprzeczność między jego hipotezą a przyjętą wówczas teorią dalekiego zasięgu, zgodnie z którą prędkość propagacji fal powinna być nieskończona. Dlatego teorię Maxwella nazwano teorią działania bliskiego zasięgu.

W fali elektromagnetycznej przemiana pól elektrycznych i magnetycznych w siebie zachodzi jednocześnie, dlatego gęstości objętościowe energii magnetycznej i energia elektryczna są sobie równe. Dlatego prawdą jest twierdzenie, że moduły natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego są połączone w każdym punkcie przestrzeni następującą zależnością:

fala elektromagnetyczna w trakcie jego dystrybucji tworzy strumień energia elektromagnetyczna, a jeśli weźmiemy pod uwagę obszar w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali, to w krótkim czasie przepłynie przez nią pewna ilość energii elektromagnetycznej. Gęstość strumienia energii elektromagnetycznej to ilość energii przenoszonej przez falę elektromagnetyczną przez powierzchnię jednostki powierzchni na jednostkę czasu. Podstawiając wartości prędkości oraz energii magnetycznej i elektrycznej możemy otrzymać wyrażenie na gęstość strumienia w postaci wielkości E i B.

Ponieważ kierunek propagacji energii fali pokrywa się z kierunkiem prędkości propagacji fali, strumień energii propagujący się w fali elektromagnetycznej można określić za pomocą wektora skierowanego tak samo jak prędkość propagacji fali. Ten wektor nazywa się „wektorem Poyntinga” - na cześć brytyjski fizyk Henry Poynting, który opracował w 1884 roku teorię propagacji przepływu energii pola elektromagnetycznego. Gęstość strumienia energii fal jest mierzona w W/m2.

Kiedy na substancję działa pole elektryczne, pojawiają się w niej małe prądy, które są uporządkowanym ruchem cząstek naładowanych elektrycznie. Prądy te w polu magnetycznym fali elektromagnetycznej podlegają działaniu siły Ampère'a, która jest skierowana w głąb substancji. Siła Ampera i wytwarza w wyniku ciśnienie.

Zjawisko to zostało później, w 1900 roku, zbadane i potwierdzone eksperymentalnie przez rosyjskiego fizyka Piotra Nikołajewicza Lebiediewa, którego praca eksperymentalna była bardzo ważna dla potwierdzenia teorii elektromagnetyzmu Maxwella oraz jej akceptacji i zatwierdzenia w przyszłości.

Fakt, że fala elektromagnetyczna wywiera ciśnienie umożliwia ocenę obecności impulsu mechanicznego w polu elektromagnetycznym, co można wyrazić za jednostkę objętości w postaci gęstości objętościowej energii elektromagnetycznej i prędkości propagacji fali w próżni:

Ponieważ pęd związany jest z ruchem masy, można wprowadzić takie pojęcie jak masa elektromagnetyczna, a następnie dla jednostki objętości stosunek ten (zgodnie z SRT) nabierze charakteru uniwersalnego prawa natury i będzie ważne dla wszelkich ciał materialnych, niezależnie od formy materii. A pole elektromagnetyczne jest wtedy podobne do ciała materialnego - ma energię W, masę m, pęd p i skończoną prędkość propagacji v. Oznacza to, że pole elektromagnetyczne jest jedną z form materii, która faktycznie istnieje w przyrodzie.

Po raz pierwszy w 1888 roku Heinrich Hertz potwierdził doświadczalnie teorię elektromagnetyczną Maxwella. Udowodnił empirycznie realność fal elektromagnetycznych i zbadał ich właściwości, takie jak załamanie i pochłanianie w różnych mediach, a także odbicie fal od powierzchni metalowych.

Hertz zmierzył długość fali i wykazał, że prędkość propagacji fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła. Praca eksperymentalna Hertza była ostatnim krokiem w kierunku rozpoznania teorii elektromagnetycznej Maxwella. Siedem lat później, w 1895 roku, rosyjski fizyk Aleksander Stiepanowicz Popow użył fal elektromagnetycznych do stworzenia komunikacji bezprzewodowej.

W obwodach prądu stałego ładunki poruszają się ze stałą prędkością, a fale elektromagnetyczne w tym przypadku nie są emitowane w kosmos. Aby mogło zajść promieniowanie, konieczne jest zastosowanie anteny, w której wzbudzane są prądy przemienne, czyli szybko zmieniające kierunek.

W swojej najprostszej postaci dipol elektryczny nadaje się do emitowania fal elektromagnetycznych. mały rozmiar, którego moment dipolowy zmieniałby się szybko z czasem. To właśnie taki dipol nazywany jest dzisiaj "dipolem Hertza", którego wielkość jest kilkakrotnie mniejsza niż długość fali, którą emituje.

Emitowane przez dipol Hertza, maksymalny przepływ energia elektromagnetyczna pada na płaszczyznę prostopadłą do osi dipola. Energia elektromagnetyczna nie jest emitowana wzdłuż osi dipola. W najważniejszych eksperymentach Hertza dipole elementarne były wykorzystywane zarówno do emitowania, jak i odbierania fal elektromagnetycznych, a istnienie fal elektromagnetycznych zostało udowodnione.

M. Faraday przedstawił pojęcie pola:

pole elektrostatyczne wokół ładunku w spoczynku

wokół poruszających się ładunków (prądów) występuje pole magnetyczne.

W 1830 r. M. Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej: gdy zmienia się pole magnetyczne, powstaje wirowe pole elektryczne.

Rysunek 2.7 - Pole elektryczne wirów

gdzie,
- wektor natężenia pola elektrycznego,
- wektor indukcji magnetycznej.

Zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne.

W 1862 r. D.K. Maxwell postawił hipotezę: gdy zmienia się pole elektryczne, powstaje wirowe pole magnetyczne.

Powstała idea pojedynczego pola elektromagnetycznego.

Rysunek 2.8 - Zunifikowane pole elektromagnetyczne.

Zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne.

Pole elektromagnetyczne- to szczególna forma materii - połączenie pól elektrycznych i magnetycznych. Zmienne pola elektryczne i magnetyczne istnieją jednocześnie i tworzą jedno pole elektromagnetyczne. Jest to materiał:

Przejawia się w działaniu zarówno na odpoczywających, jak i poruszających się podopiecznych;

Rozprzestrzenia się z dużą, ale skończoną prędkością;

Istnieje niezależnie od naszej woli i pragnień.

Przy prędkości ładowania zero, jest tylko pole elektryczne. Przy stałej szybkości ładowania generowane jest pole elektromagnetyczne.

Wraz z przyspieszonym ruchem ładunku emitowana jest fala elektromagnetyczna, która rozchodzi się w przestrzeni ze skończoną prędkością .

Rozwój idei fal elektromagnetycznych należy do Maxwella, ale Faraday już wiedział o ich istnieniu, choć bał się opublikować pracę (przeczytano ją ponad 100 lat po jego śmierci).

Głównym warunkiem powstania fali elektromagnetycznej jest przyspieszony ruch ładunków elektrycznych.

Czym jest fala elektromagnetyczna, łatwo sobie wyobrazić następujący przykład. Jeśli rzucisz kamyk na powierzchnię wody, na powierzchni powstają fale rozchodzące się w kółko. Poruszają się od źródła ich występowania (perturbacji) z określoną prędkością propagacji. W przypadku fal elektromagnetycznych zakłóceniami są pola elektryczne i magnetyczne poruszające się w przestrzeni. Zmienne w czasie pole elektromagnetyczne z konieczności wywołuje zmienne pole magnetyczne i odwrotnie. Pola te są ze sobą połączone.

Głównym źródłem widma fal elektromagnetycznych jest gwiazda słoneczna. Część widma fal elektromagnetycznych widzi ludzkie oko. Widmo to mieści się w zakresie 380...780 nm (rys. 2.1). W zakresie widzialnym oko inaczej odbiera światło. Oscylacje elektromagnetyczne o różnych długościach fal powodują wrażenie światła o różnych kolorach.

Rysunek 2.9 - Widmo fal elektromagnetycznych

Część widma fal elektromagnetycznych jest wykorzystywana do celów nadawania i komunikacji radiowej i telewizyjnej. Źródłem fal elektromagnetycznych jest przewód (antena), w którym występują drgania ładunki elektryczne. Proces formowania się pól, który rozpoczął się w pobliżu drutu, stopniowo, punkt po punkcie, obejmuje całą przestrzeń. Im wyższa częstotliwość prąd przemienny przechodząc przez przewód i generując pole elektryczne lub magnetyczne, tym bardziej intensywne są fale radiowe o określonej długości wytworzone przez przewód.

Radio(łac. radio - emituj, emituj promienie ← promień - wiązka) - rodzaj komunikacji bezprzewodowej, w której fale radiowe swobodnie rozchodzące się w przestrzeni są wykorzystywane jako nośnik sygnału.

fale radiowe(z radia...), fale elektromagnetyczne o długości fali > 500 µm (częstotliwość< 6×10 12 Гц).

Fale radiowe to pola elektryczne i magnetyczne, które zmieniają się w czasie. Prędkość propagacji fal radiowych w wolnej przestrzeni wynosi 300 000 km/s. Na tej podstawie możesz określić długość fali radiowej (m).

λ=300/f, gdzie f - częstotliwość (MHz)

Drgania dźwiękowe powietrza powstające podczas rozmowy telefonicznej są zamieniane przez mikrofon na drgania elektryczne o częstotliwości dźwięku, które są przekazywane przewodami do urządzeń abonenckich. Tam, na drugim końcu linii, za pomocą emitera telefonu zamieniane są na drgania powietrza odbierane przez abonenta jako dźwięki. W telefonii środkiem porozumiewania się są przewody, w radiofonii fale radiowe.

„Sercem” nadajnika każdej radiostacji jest generator – urządzenie generujące oscylacje o wysokiej, ale ściśle stałej częstotliwości dla danej stacji radiowej. Te oscylacje częstotliwości radiowej, wzmocnione do wymaganej mocy, wchodzą do anteny i wzbudzają w otaczającej przestrzeni oscylacje elektromagnetyczne o dokładnie tej samej częstotliwości - fale radiowe. Szybkość usuwania fal radiowych z anteny radiostacji jest równa prędkości światła: 300 000 km/s, czyli prawie milion razy szybciej niż rozchodzenie się dźwięku w powietrzu. Oznacza to, że gdyby nadajnik został włączony w określonym momencie w Moskiewskiej Rozgłośni, to jego fale radiowe dotarłyby do Władywostoku w mniej niż 1/30 s, a dźwięk w tym czasie miałby czas na rozchodzenie się tylko 10- 11m.

Fale radiowe rozchodzą się nie tylko w powietrzu, ale także tam, gdzie ich nie ma, np. w kosmosie. W tym różnią się od fale dźwiękowe, dla których bezwzględnie konieczne jest powietrze lub inny gęsty ośrodek, taki jak woda.

fala elektromagnetyczna jest polem elektromagnetycznym rozchodzącym się w przestrzeni (oscylacje wektorów
). W pobliżu ładunku pola elektryczne i magnetyczne zmieniają się z przesunięciem fazowym p/2.

Rysunek 2.10 - Zunifikowane pole elektromagnetyczne.

W dużej odległości od ładunku pola elektryczne i magnetyczne zmieniają fazę.

Rysunek 2.11 - Zmiana w fazie w polach elektrycznych i magnetycznych.

Fala elektromagnetyczna jest poprzeczna. Kierunek prędkości fali elektromagnetycznej pokrywa się z kierunkiem ruchu prawej śruby podczas obracania uchwytu świdra wektorowego do wektora .

Rysunek 2.12 - Fala elektromagnetyczna.

Ponadto w fali elektromagnetycznej relacja
, gdzie c jest prędkością światła w próżni.

Maxwell teoretycznie obliczył energię i prędkość fal elektromagnetycznych.

Zatem, energia fali jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi częstotliwości. Oznacza to, że aby łatwiej naprawić falę, konieczne jest, aby miała ona wysoką częstotliwość.

Fale elektromagnetyczne odkrył G. Hertz (1887).

Zamknięty obwód oscylacyjny nie emituje fal elektromagnetycznych: cała energia pola elektrycznego kondensatora jest przekształcana w energię pola magnetycznego cewki. Częstotliwość drgań jest określona przez parametry obwodu oscylacyjnego:
.

Rysunek 2.13 - Obwód oscylacyjny.

Aby zwiększyć częstotliwość, konieczne jest zmniejszenie L i C, tj. obrócić cewkę na prosty drut i, jak
, zmniejsz powierzchnię płytek i rozłóż je na maksymalną odległość. To pokazuje, że w istocie otrzymujemy przewodnik prosty.

Takie urządzenie nazywa się wibratorem Hertza. Środek jest wycięty i podłączony do transformatora wysokiej częstotliwości. Pomiędzy końcami drutów, na których zamocowane są małe przewodniki kuliste, przeskakuje iskra elektryczna będąca źródłem fali elektromagnetycznej. Fala rozchodzi się w taki sposób, że wektor natężenia pola elektrycznego oscyluje w płaszczyźnie, w której znajduje się przewodnik.

Rysunek 2.14 - Wibrator Hertz.

Jeśli ten sam przewodnik (antena) zostanie umieszczony równolegle do emitera, znajdujące się w nim ładunki będą oscylować, a słabe iskry będą przeskakiwać między przewodami.

Hertz odkrył w eksperymencie fale elektromagnetyczne i zmierzył ich prędkość, która pokrywała się z obliczoną przez Maxwella i równą c=3. 10 8 m/s.

Zmienne pole elektryczne generuje zmienne pole magnetyczne, które z kolei generuje zmienne pole elektryczne, czyli antena wzbudzająca jedno z pól powoduje pojawienie się pojedynczego pola elektromagnetycznego. Najważniejszą właściwością tego pola jest to, że rozchodzi się ono w postaci fal elektromagnetycznych.

Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w ośrodku bezstratnym zależy od względnej przepuszczalności dielektrycznej i magnetycznej ośrodka. W przypadku powietrza przepuszczalność magnetyczna ośrodka jest równa jeden, dlatego prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w tym przypadku jest równa prędkości światła.

Antena może być przewodem pionowym zasilanym z generatora wysokiej częstotliwości. Generator zużywa energię, aby przyspieszyć ruch swobodnych elektronów w przewodniku, a energia ta jest przekształcana w przemienne pole elektromagnetyczne, czyli fale elektromagnetyczne. Im wyższa częstotliwość prądu generatora, tym szybciej zmienia się pole elektromagnetyczne i tym intensywniejsze jest gojenie się fali.

Do przewodu antenowego podłączone jest zarówno pole elektryczne, którego linie siły zaczynają się od ładunku dodatniego, a kończą się ładunkiem ujemnym, oraz pole magnetyczne, którego linie zamykają się wokół prądu przewodu. Im krótszy okres oscylacji, tym mniej czasu pozostaje energii pól związanych na powrót do drutu (czyli do generatora) i tym więcej przechodzi w pola swobodne, które rozchodzą się dalej w postaci fal elektromagnetycznych. Efektywne promieniowanie fal elektromagnetycznych zachodzi pod warunkiem współmierności długości fali i długości drutu promieniującego.

Można więc stwierdzić, że fala radiowa- jest to pole elektromagnetyczne niezwiązane z emiterem i urządzeniami tworzącymi kanały, swobodnie rozchodzące się w przestrzeni w postaci fali o częstotliwości oscylacji od 10 -3 do 10 12 Hz.

Oscylacje elektronów w antenie są tworzone przez źródło okresowo zmieniającego się pola elektromagnetycznego o okresie T. Jeśli w pewnym momencie pole przy antenie miało wartość maksymalną, to po chwili będzie miało tę samą wartość T. W tym czasie pole elektromagnetyczne, które istniało w początkowym momencie w antenie, przesunie się na odległość

λ = υТ (1)

Minimalna odległość między dwoma punktami w przestrzeni, w których pole ma tę samą wartość, nazywa się długość fali. Jak wynika z (1), długość fali λ zależy od szybkości jego propagacji i okresu oscylacji elektronów w antenie. Jak częstotliwość obecny F = 1 / T, to długość fali λ = υ / F .

Łącze radiowe obejmuje następujące główne części:

Nadajnik

Odbiorca

Medium, w którym rozchodzą się fale radiowe.

Nadajnik i odbiornik są sterowalnymi elementami łącza radiowego, ponieważ możliwe jest zwiększenie mocy nadajnika, podłączenie wydajniejszej anteny oraz zwiększenie czułości odbiornika. Medium jest niekontrolowanym elementem łącza radiowego.

Różnica między linią radiową a liniami przewodowymi polega na tym, że linie przewodowe wykorzystują przewody lub kable jako ogniwa łączące, które są elementami sterowanymi (można zmieniać ich parametry elektryczne).

Fale elektromagnetyczne, zgodnie z fizyką, należą do najbardziej tajemniczych. W nich energia właściwie znika donikąd, pojawia się znikąd. Nie ma innego podobnego przedmiotu w całej nauce. Jak dokonują się te wszystkie cudowne przemiany?

Elektrodynamika Maxwella

Wszystko zaczęło się od tego, że naukowiec Maxwell w 1865 roku, opierając się na pracy Faradaya, wyprowadził równanie pola elektromagnetycznego. Sam Maxwell uważał, że jego równania opisują skręcanie i napięcie fal w eterze. Dwadzieścia trzy lata później Hertz eksperymentalnie stworzył takie zaburzenia w ośrodku i udało mu się nie tylko pogodzić je z równaniami elektrodynamiki, ale także uzyskać prawa rządzące propagacją tych zaburzeń. Pojawiła się ciekawa tendencja do deklarowania wszelkich zaburzeń o charakterze elektromagnetycznym jako fale Hertza. Promieniowanie to nie jest jednak jedynym sposobem realizacji transferu energii.

Połączenie bezprzewodowe

Do tej pory, do opcje wdrożenie takiej komunikacji bezprzewodowej obejmuje:

Sprzężenie elektrostatyczne, zwane również pojemnościowym;

wprowadzenie;

obecny;

połączenie Tesli, czyli połączenie fal gęstości elektronowej wzdłuż powierzchni przewodzących;

Najszerszy zakres najpopularniejszych nośników, które nazywane są falami elektromagnetycznymi - od ultraniskich częstotliwości po promieniowanie gamma.

Warto bardziej szczegółowo rozważyć tego typu połączenia.

Wiązanie elektrostatyczne

Dwa dipole są sprzężonymi siłami elektrycznymi w przestrzeni, co jest konsekwencją prawa Coulomba. Z fal elektromagnetycznych dany typ komunikacja wyróżnia się możliwością łączenia dipoli, gdy znajdują się na tej samej linii. Wraz ze wzrostem odległości siła połączenia słabnie, obserwuje się również silny wpływ różnych zakłóceń.

sprzężenie indukcyjne

Oparte na magnetycznych polach błądzących indukcyjności. Obserwowane między obiektami, które mają indukcyjność. Jego zastosowanie jest dość ograniczone ze względu na działanie krótkiego zasięgu.

Aktualne połączenie

Ze względu na prądy rozprzestrzeniające się w medium przewodzącym może wystąpić pewna interakcja. Jeżeli prądy przepływają przez zaciski (parę styków), to te same prądy można wykryć w znacznej odległości od styków. Nazywa się to efektem rozprzestrzeniania się prądu.

Połączenie Tesli

Słynny fizyk Nikola Tesla wynalazł komunikację za pomocą fal na przewodzącej powierzchni. Jeśli w jakimś miejscu płaszczyzny zostanie zakłócona gęstość nośnika ładunku, to nośniki te zaczną się poruszać, co spowoduje powrót do równowagi. Ponieważ nośniki mają charakter bezwładnościowy, powrót ma charakter falowy.

Połączenie elektromagnetyczne

Promieniowanie fal elektromagnetycznych wyróżnia się ogromnym działaniem dalekosiężnym, ponieważ ich amplituda jest odwrotnie proporcjonalna do odległości od źródła. To właśnie ta metoda komunikacji bezprzewodowej jest najczęściej stosowana. Ale czym są fale elektromagnetyczne? Najpierw trzeba zrobić krótką dygresję do historii ich odkrycia.

Jak „pojawiły się” fale elektromagnetyczne?

Wszystko zaczęło się w 1829 roku, kiedy amerykański fizyk Henry odkrył zaburzenia w wyładowaniach elektrycznych w eksperymentach ze słojami lejdejskimi. W 1832 roku fizyk Faraday zasugerował istnienie takiego procesu jak fale elektromagnetyczne. Maxwell stworzył swoje słynne równania elektromagnetyzmu w 1865 roku. Pod koniec XIX wieku podjęto wiele udanych prób stworzenia komunikacji bezprzewodowej z wykorzystaniem elektrostatyki i Indukcja elektromagnetyczna. Słynny wynalazca Edison wymyślił system, który pozwalał pasażerom kolej żelazna wysyłać i odbierać telegramy podczas jazdy pociągu. W 1888 r. G. Hertz jednoznacznie udowodnił, że fale elektromagnetyczne pojawiają się za pomocą urządzenia zwanego wibratorem. Hertz przeprowadził eksperyment dotyczący transmisji sygnału elektromagnetycznego na odległość. W 1890 roku francuski inżynier i fizyk Branly wynalazł urządzenie do rejestrowania promieniowania elektromagnetycznego. Następnie urządzenie to nazwano „przewodnikiem radiowym” (coherer). W latach 1891-1893 Nikola Tesla opisał podstawowe zasady realizacji transmisji sygnału na duże odległości i opatentował antenę masztową, która była źródłem fal elektromagnetycznych. Dalsze zasługi w badaniu fal i technicznej realizacji ich wytwarzania i zastosowania należą do tak znanych fizyków i wynalazców jak Popov, Marconi, de Maur, Lodge, Mirhead i wielu innych.

Pojęcie „fali elektromagnetycznej”

Fala elektromagnetyczna to zjawisko, które rozchodzi się w przestrzeni z pewną skończoną prędkością i jest zmiennym polem elektrycznym i magnetycznym. Ponieważ pola magnetyczne i elektryczne są ze sobą nierozerwalnie związane, tworzą pole elektromagnetyczne. Można też powiedzieć, że fala elektromagnetyczna jest zaburzeniem pola, a podczas jej propagacji energia pola magnetycznego jest zamieniana na energię pola elektrycznego i odwrotnie, zgodnie z elektrodynamiką Maxwella. Zewnętrznie jest to podobne do propagacji jakiejkolwiek innej fali w jakimkolwiek innym medium, ale są też znaczące różnice.

Jaka jest różnica między falami elektromagnetycznymi a innymi?

Energia fal elektromagnetycznych rozchodzi się w dość niezrozumiałym ośrodku. Aby porównać te fale i dowolne inne, konieczne jest zrozumienie, jakie medium propagacji w pytaniu. Zakłada się, że przestrzeń wewnątrzatomowa wypełniona jest eterem elektrycznym - specyficznym ośrodkiem, który jest dielektrykiem absolutnym. Wszystkie fale podczas propagacji pokazują przejście energii kinetycznej w energię potencjalną i odwrotnie. Jednocześnie energie te przesunęły względem siebie maksimum w czasie i przestrzeni o jedną czwartą pełny okres fale. W tym przypadku średnia energia fali, będąca sumą potencjału i energia kinetyczna jest stałą. Ale w przypadku fal elektromagnetycznych sytuacja jest inna. Energie zarówno pól magnetycznych, jak i elektrycznych osiągają jednocześnie swoje maksymalne wartości.

Jak powstaje fala elektromagnetyczna?

Istotą fali elektromagnetycznej jest pole elektryczne (eter). Ruchome pole jest ustrukturyzowane i składa się z energii jego ruchu oraz energii elektrycznej samego pola. Dlatego energia potencjalna fale związane z kinetycznym i w fazie. Naturą fali elektromagnetycznej jest okresowe pole elektryczne, które jest w stanie ruch do przodu w kosmosie i poruszając się z prędkość światła.

Prądy przemieszczenia

Istnieje inny sposób wyjaśnienia, czym są fale elektromagnetyczne. Zakłada się, że podczas ruchu niejednorodnych pól elektrycznych w eterze powstają prądy przesunięcia. Powstają one oczywiście tylko dla nieruchomego obserwatora zewnętrznego. W momencie, gdy taki parametr, jak natężenie pola elektrycznego, osiągnie maksimum, prąd przesunięcia w danym punkcie przestrzeni ustanie. Odpowiednio, przy minimalnym napięciu, uzyskuje się obraz odwrotny. Takie podejście wyjaśnia naturę fal promieniowanie elektromagnetyczne, ponieważ energia pola elektrycznego jest przesunięta o jedną czwartą okresu w stosunku do prądów przesunięcia. Można wtedy powiedzieć, że zakłócenie elektryczne, a raczej energia zakłócenia, zamienia się na energię prądu przesunięcia i odwrotnie i rozchodzi się falowo w ośrodku dielektrycznym.