Fale elektromagnetyczne i ich propagacja. fala elektromagnetyczna

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 to zjawisko Indukcja elektromagnetyczna: kiedy się zmienia pole magnetyczne jest wir 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: przy zmianie pole elektryczne generowane jest 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 wytwarzane 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 pole elektromagnetyczne. 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.

Anteny są połączone z przewodem jak pole elektryczne, linie siły który zaczyna się na dodatnim, a kończy na ujemnych ładunkach, oraz pole magnetyczne, którego linie są zamknięte wokół prądu drutu. 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 pomiędzy linią radiową a przewodową polega na tym, że linie przewodowe wykorzystują przewody lub kable jako ogniwa łączące, które są elementami sterowanymi (można zmieniać ich parametry elektryczne).

), który opisuje pole elektromagnetyczne, teoretycznie pokazał, że pole elektromagnetyczne w próżni może istnieć nawet przy braku źródeł - ładunków i prądów. Pole bez źródeł ma postać fal rozchodzących się ze skończoną prędkością, która w próżni jest równa prędkości światła: z= 299792458±1,2 m/s. Zbieżność prędkości propagacji fal elektromagnetycznych w próżni z prędkością światła zmierzoną wcześniej pozwoliła Maxwellowi stwierdzić, że światło jest falą elektromagnetyczną. Ten wniosek stał się później podstawą elektromagnetycznej teorii światła.

W 1888 roku teoria fal elektromagnetycznych uzyskała eksperymentalne potwierdzenie w eksperymentach G. Hertza. Używając źródła wysokiego napięcia i wibratorów (patrz wibrator Hertz), Hertz był w stanie przeprowadzić subtelne eksperymenty, aby określić prędkość propagacji fali elektromagnetycznej i jej długość. Potwierdzono doświadczalnie, że prędkość propagacji fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła, co dowiodło elektromagnetycznej natury światła.

jest to proces propagacji oddziaływania elektromagnetycznego w przestrzeni.
Fale elektromagnetyczne są opisane wspólnie zjawiska elektromagnetyczne Równania Maxwella. Nawet przy braku ładunków elektrycznych i prądów w przestrzeni równania Maxwella mają rozwiązania niezerowe. Rozwiązania te opisują fale elektromagnetyczne.
W przypadku braku ładunków i prądów równania Maxwella przyjmują następującą postać:

,

Stosując operację rot do pierwszych dwóch równań można uzyskać oddzielne równania do wyznaczania natężenia pola elektrycznego i magnetycznego

Te równania mają typowy kształt równania falowe. Ich rozłączenia są superpozycją wyrażeń typu:

Gdzie - pewien wektor, który nazywa się wektorem falowym, ? - liczba zwana częstotliwością cykliczną, ? - faza. Wielkości są amplitudami składowych elektrycznych i magnetycznych fali elektromagnetycznej. Są one wzajemnie prostopadłe i równe w wartości bezwzględnej. Fizyczną interpretację każdej z wprowadzonych wielkości podano poniżej.
W próżni fala elektromagnetyczna rozchodzi się z prędkością zwaną prędkością światła. Prędkość światła jest podstawową stałą fizyczną, którą oznaczono łacińska litera c. Zgodnie z podstawowym postulatem teorii względności prędkość światła to maksymalna możliwa prędkość przekazywania informacji lub ruchu ciała. Prędkość ta wynosi 299 792 458 m/s.
Fala elektromagnetyczna charakteryzuje się częstotliwością. Rozróżnić częstotliwość linii? i cykliczna częstotliwość? = 2??. W zależności od częstotliwości fale elektromagnetyczne należą do jednego z zakresów widmowych.
Inną cechą fali elektromagnetycznej jest wektor falowy. Wektor falowy określa kierunek propagacji fali elektromagnetycznej oraz jej długość. Wartość bezwzględna wektora wiatru nazywana jest liczbą falową.
Długość fali elektromagnetycznej? = 2? / k, gdzie k jest liczbą falową.
Długość fali elektromagnetycznej jest powiązana z częstotliwością poprzez prawo dyspersji. W próżni to połączenie jest proste:

?? = c.

Ten stosunek jest często zapisywany jako

? = c k.

Fale elektromagnetyczne o tej samej częstotliwości i wektorze falowym mogą różnić się fazą.
W próżni wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego fali elektromagnetycznej są z konieczności prostopadłe do kierunku propagacji fali. Takie fale nazywają się fale ścinające. Matematycznie opisują to równania i . Ponadto natężenia pola elektrycznego i magnetycznego są do siebie prostopadłe i zawsze są równe wartościom bezwzględnym w dowolnym punkcie przestrzeni: E = H. Jeśli wybierzesz układ współrzędnych tak, aby oś z pokrywała się z kierunkiem propagacji fali elektromagnetycznej, są dwa różne możliwości dla kierunków wektorów natężenia pola elektrycznego. Jeśli pole eklektyczne skierowane jest wzdłuż osi x, to pole magnetyczne będzie skierowane wzdłuż osi y i odwrotnie. Te dwie różne możliwości nie wykluczają się wzajemnie i odpowiadają dwóm różnym polaryzacjom. Zagadnienie to zostało szerzej omówione w artykule Polaryzacja fal.
Zakresy widmowe z wybranym światłem widzialnym W zależności od częstotliwości lub długości fali (wielkości te są ze sobą powiązane) fale elektromagnetyczne dzielą się na różne zakresy. Fale w różnych zakresach oddziałują z ciałami fizycznymi na różne sposoby.
Fale elektromagnetyczne o najniższej częstotliwości (lub najdłuższej długości fali) są określane jako zasięg radiowy. Pasmo radiowe służy do przesyłania sygnałów na odległość za pomocą radia, telewizji, telefony komórkowe. Radar działa w zasięgu radiowym. Zasięg radiowy dzieli się na metr, disemeter, centymetr, milimetr, w zależności od długości fali elektromagnetycznej.
Fale elektromagnetyczne prawdopodobnie należą do zakresu podczerwieni. W zakresie podczerwieni leży promieniowanie cieplne ciała. Rejestracja tej wibracji jest podstawą działania noktowizorów. Fale podczerwone są wykorzystywane do badania drgań termicznych w ciałach i pomagają określić strukturę atomową. ciała stałe, gazy i ciecze.
Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 400 nm do 800 nm należy do zakresu światła widzialnego. Światło widzialne ma różne kolory w zależności od częstotliwości i długości fali.
Nazywa się długości fal poniżej 400 nm ultrafioletowy. Ludzkie oko ich nie rozróżnia, chociaż ich właściwości nie odbiegają od właściwości fal w zakresie widzialnym. Wysoka częstotliwość, a co za tym idzie energia kwantów takiego światła prowadzi do bardziej destrukcyjnego wpływu fal ultrafioletowych na obiekty biologiczne. Powierzchnia ziemi jest chroniona przed Szkodliwe efekty fale ultrafioletowe przez warstwę ozonową. Dla dodatkowej ochrony natura obdarowała ludzi ciemną skórą. Jednakże promienie ultrafioletowe potrzebna człowiekowi do produkcji witaminy D. Dlatego ludzie w północne szerokości geograficzne, gdzie intensywność fal ultrafioletowych jest mniejsza, stracił ciemną barwę skóry.
Fale elektromagnetyczne o wyższej częstotliwości są prześwietlenie zakres. Nazywa się je tak, ponieważ zostały odkryte przez Roentgena, badającego promieniowanie, które powstaje podczas zwalniania elektronów. W literaturze zagranicznej takie fale nazywa się promienie rentgenowskie szanując życzenie Roentgena, aby promienie nie zwracały się do niego po imieniu. Fale rentgenowskie słabo oddziałują z materią, są silniej pochłaniane tam, gdzie gęstość jest większa. Fakt ten jest wykorzystywany w medycynie do fluorografii rentgenowskiej. Fale rentgenowskie są również wykorzystywane do analizy pierwiastkowej i badania struktury ciał krystalicznych.
mają najwyższą częstotliwość i najkrótszą długość ?-promienie. W rezultacie powstają te promienie reakcje jądrowe i reakcje między cząstki elementarne. Promienie ? mają bardzo destrukcyjny wpływ na obiekty biologiczne. Są jednak wykorzystywane w fizyce do nauki różne cechy jądro atomowe.
Energia fali elektromagnetycznej jest określona przez sumę energii pól elektrycznych i magnetycznych. Gęstość energii w pewnym punkcie przestrzeni dana jest wzorem:

.

Uśredniona w czasie gęstość energii jest równa.

,

Gdzie E 0 = H 0 to amplituda fali.
Znaczenie ma gęstość strumienia energii fali elektromagnetycznej. W szczególności określa strumień świetlny w optyce. Gęstość strumienia energii fali elektromagnetycznej jest podawana przez wektor Umova-Poyntinga.

Propagacja fal elektromagnetycznych w ośrodku ma szereg cech w porównaniu z propagacją w próżni. Cechy te są związane z właściwościami ośrodka i generalnie zależą od częstotliwości fali elektromagnetycznej. Elektryczne i magnetyczne składniki fali powodują polaryzację i namagnesowanie ośrodka. Ta reakcja medium nie jest taka sama w przypadku niskich i wysokich częstotliwości. Przy niskiej częstotliwości fali elektromagnetycznej elektrony i jony substancji mają czas na reakcję na zmiany natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Odpowiedź ośrodka prześledzi fluktuacje czasowe w fale. Przy wysokiej częstotliwości elektrony i jony substancji nie mają czasu na przesunięcie w okresie oscylacji pól falowych, a zatem polaryzacja i namagnesowanie ośrodka są znacznie mniejsze.
Pole elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości nie wnika w metale, w których znajduje się wiele wolnych elektronów, które są w ten sposób przemieszczone, całkowicie wygaszają falę elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna zaczyna wnikać w metal z częstotliwością przekraczającą określoną częstotliwość, zwaną częstotliwością plazmy. Przy częstotliwościach niższych niż częstotliwość plazmy fala elektromagnetyczna może wnikać w warstwę powierzchniową metalu. Zjawisko to nazywa się efektem skóry.
W dielektrykach zmienia się prawo dyspersji fali elektromagnetycznej. Jeżeli fale elektromagnetyczne rozchodzą się ze stałą amplitudą w próżni, to w ośrodku zanikają na skutek absorpcji. W tym przypadku energia fali jest przekazywana elektronom lub jonom ośrodka. W sumie prawo dyspersji przy braku efektów magnetycznych przyjmuje postać

Gdzie liczba falowa k jest całkowitą wielkością zespoloną, której urojona część opisuje spadek amplitudy fali elektromagnetycznej, jest zależną od częstotliwości zespoloną przenikalnością medium.
W ośrodkach anizotropowych kierunek wektorów pól elektrycznych i magnetycznych niekoniecznie jest prostopadły do ​​kierunku propagacji fali. Jednak kierunek wektorów indukcji elektrycznej i magnetycznej zachowuje tę właściwość.
W ośrodku, w określonych warunkach, może propagować się inny rodzaj fali elektromagnetycznej - podłużna fala elektromagnetyczna, dla której kierunek wektora natężenia pola elektrycznego pokrywa się z kierunkiem propagacji fali.
Na początku XX wieku, aby wyjaśnić widmo promieniowania ciała doskonale czarnego, Max Planck zasugerował, że fale elektromagnetyczne są emitowane przez kwanty o energii proporcjonalnej do częstotliwości. Kilka lat później Albert Einstein, wyjaśniając zjawisko efektu fotoelektrycznego, rozszerzył tę ideę, zakładając, że fale elektromagnetyczne są pochłaniane przez te same kwanty. W ten sposób stało się jasne, że fale elektromagnetyczne charakteryzują się pewnymi właściwościami, które wcześniej przypisywano cząsteczkom materialnym, cząstkom.
Ta idea nazywana jest dualizmem korpuskularno-falowym.

Mało kto wie, że promieniowanie elektromagnetyczne przenika cały Wszechświat. Fale elektromagnetyczne powstają, gdy rozchodzi się w przestrzeni. W zależności od częstotliwości oscylacji fal są one warunkowo podzielone na światło widzialne, widmo częstotliwości radiowych, zakresy podczerwieni itp. Praktyczne istnienie fal elektromagnetycznych zostało udowodnione empirycznie w 1880 roku przez niemieckiego naukowca G. Hertza (nawiasem mówiąc, częstotliwość jednostka nosi jego imię).

Z przebiegu fizyki wiadomo, co to jest specjalny rodzaj materiał. Pomimo tego, że tylko niewielką jej część można zobaczyć wzrokiem, jej wpływ na świat materialny olbrzymi. Fale elektromagnetyczne są sukcesywną propagacją w przestrzeni oddziałujących na siebie wektorów pola magnetycznego i elektrycznego. Jednak słowo „dystrybucja” nie jest w tym przypadku do końca poprawne: chodzi raczej o falowe zaburzenie przestrzeni. Powodem generowania fal elektromagnetycznych jest pojawienie się w przestrzeni pola elektrycznego, które zmienia się w czasie. Jak wiecie, istnieje bezpośredni związek między polami elektrycznymi i magnetycznymi. Wystarczy przypomnieć zasadę, zgodnie z którą wokół dowolnego przewodnika z prądem występuje pole magnetyczne. Cząstka, na którą oddziałują fale elektromagnetyczne, zaczyna oscylować, a skoro jest ruch, to znaczy, że jest promieniowanie energii. Pole elektryczne w jest przenoszone na sąsiednią cząstkę w spoczynku, w wyniku czego ponownie generowane jest pole o charakterze elektrycznym. A ponieważ pola są ze sobą połączone, następuje magnetyczne. Proces rozprzestrzenia się jak lawina. W tym przypadku nie ma rzeczywistego ruchu, ale są wibracje cząstek.

O możliwości praktyczne użycie fizycy zastanawiali się nad tym od dawna. W nowoczesny świat Energia fal elektromagnetycznych jest tak szeroko stosowana, że ​​wielu nawet jej nie zauważa, biorąc to za pewnik. Uderzającym przykładem są fale radiowe, bez których działanie telewizorów i telefonów komórkowych byłoby niemożliwe.

Proces przebiega w następujący sposób: modulowany przewodnik metalowy (antena) jest stale przenoszony na przewodnik metalowy o specjalnym kształcie.Ze względu na właściwości prądu elektrycznego wokół przewodnika powstaje pole elektryczne, a następnie pole magnetyczne, jako w wyniku czego emitowane są fale elektromagnetyczne. Ponieważ jest modulowany, niosą ze sobą pewien porządek, zakodowaną informację. Aby złapać pożądane częstotliwości, u adresata zainstalowana jest antena odbiorcza o specjalnej konstrukcji. Pozwala wybrać żądane częstotliwości z ogólnego tła elektromagnetycznego. Po dotarciu do metalowego odbiornika fale są częściowo przekształcane w Elektryczność oryginalna modulacja. Następnie idą do jednostki wzmacniającej i kontrolują pracę urządzenia (poruszają stożek głośnika, obracają elektrody w ekranach telewizorów).

Prąd generowany przez fale elektromagnetyczne można łatwo zobaczyć. Aby to zrobić, wystarczy, że nieosłonięty kabel mieszkalny biegnący od anteny do odbiornika zetknął się z całkowitą masą (nagrzewanie akumulatorów. W tym momencie iskra przeskakuje między masą a rdzeniem - jest to przejaw generowanego prądu przez antenę.Jego wartość jest tym większa, im bliżej i mocniejszy nadajnik.Również konfiguracja anteny ma znaczący wpływ.

Innym przejawem fal elektromagnetycznych, z którymi wiele osób spotyka się na co dzień w życiu codziennym, jest stosowanie kuchenka mikrofalowa. Wirujące linie natężenia pola przecinają obiekt i przekazują część swojej energii, podgrzewając go.

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 indukcji elektrostatycznej i elektromagnetycznej. 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 inżynier i fizyk Branly z Francji wynalazł urządzenie do nagrywania promieniowanie elektromagnetyczne. 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 jego 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 energii potencjalnej i kinetycznej, jest wartością 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 i energia elektryczna samo pole. Dlatego energia potencjalna fali jest powiązana z energią kinetyczną i jest w fazie. Naturą fali elektromagnetycznej jest okresowe pole elektryczne, które jest w stanie ruchu postępowego w przestrzeni i porusza się z prędkością 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 przemieszczenia w danym punkcie przestrzeni ustanie. Odpowiednio, przy minimalnym napięciu, uzyskuje się obraz odwrotny. Podejście to wyjaśnia falową naturę promieniowania elektromagnetycznego, ponieważ energia pola elektrycznego okazuje się być 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.