สิ่งที่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า - ความหมาย พันธุ์ ลักษณะ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่ากระบวนการขยายพันธุ์ในอวกาศของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ ตามทฤษฎีแล้ว Maxwell นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษทำนายถึงการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1865 และได้รับการทดลองครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Hertz ในปี 1888

สูตรที่อธิบายการแกว่งของเวกเตอร์และตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบเอกรงค์ของระนาบที่แพร่กระจายไปตามแกน xอธิบายโดยสมการ

ที่นี่ อีและ ชมเป็นค่าทันที และ อีเมตรและ ชมม. - ค่าแอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ω - ความถี่วงกลม k- หมายเลขคลื่น เวกเตอร์และการแกว่งที่มีความถี่และเฟสเท่ากันนั้นตั้งฉากกันและนอกจากนี้ยังตั้งฉากกับเวกเตอร์ - ความเร็วของการแพร่กระจายคลื่น (รูปที่ 3.7) นั่นคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแนวขวาง

ในสุญญากาศ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายด้วยความเร็ว ในสื่อที่มีการอนุญาติ ε และการซึมผ่านของแม่เหล็ก µ ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ:

โดยหลักการแล้วความถี่ของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความยาวคลื่นสามารถเป็นค่าใดก็ได้ การจำแนกคลื่นตามความถี่ (หรือความยาวคลื่น) เรียกว่ามาตราส่วนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งออกเป็นหลายประเภท

คลื่นวิทยุมีความยาวคลื่นตั้งแต่ 10 3 ถึง 10 -4 เมตร

คลื่นแสงรวม:

รังสีเอกซ์ - .

คลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประกอบด้วยส่วนอินฟราเรด ส่วนที่มองเห็นได้ และรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม ความยาวคลื่นของแสงในสุญญากาศที่สอดคล้องกับสีหลักของสเปกตรัมที่มองเห็นได้แสดงไว้ในตารางด้านล่าง ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นนาโนเมตร

โต๊ะ

คลื่นแสงมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. คลื่นแสงเป็นแนวขวาง

2. เวกเตอร์คุณสั่นในคลื่นแสง

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าอิทธิพลทุกประเภท (สรีรวิทยา โฟโตเคมี โฟโตอิเล็กทริก ฯลฯ) เกิดจากการสั่นของเวกเตอร์ไฟฟ้า เขาถูกเรียก เวกเตอร์แสง .

แอมพลิจูดเวกเตอร์แสง อี m มักเขียนแทนด้วยตัวอักษร อาและใช้สมการ (3.24) แทนสมการ (3.30)

3. ความเร็วแสงในสุญญากาศ

ความเร็วของคลื่นแสงในตัวกลางถูกกำหนดโดยสูตร (3.29) แต่สำหรับสื่อโปร่งใส (แก้ว, น้ำ) ปกติแล้ว

สำหรับคลื่นแสง มีการแนะนำแนวคิด - ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์คือ อัตราส่วนความเร็วแสงในสุญญากาศ ต่อความเร็วแสงในตัวกลางที่กำหนด

จาก (3.29) โดยคำนึงถึงความจริงที่ว่าสำหรับสื่อโปร่งใส เราสามารถเขียนความเท่าเทียมกันได้

สำหรับสุญญากาศ ε = 1 และ น= 1. สำหรับสภาพแวดล้อมทางกายภาพใด ๆ น> 1. ตัวอย่างเช่น สำหรับน้ำ น= 1.33 สำหรับแก้ว ตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าจะมีความหนาแน่นทางแสงมากกว่า อัตราส่วนของดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์เรียกว่า ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์:

4.คลื่นแสงมีความถี่สูงมาก ตัวอย่างเช่น สำหรับแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่น

เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ความถี่ของแสงจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่ความเร็วและความยาวคลื่นจะเปลี่ยนไป

สำหรับสุญญากาศ - ; สำหรับสิ่งแวดล้อม - , แล้ว

.

ดังนั้นความยาวคลื่นของแสงในตัวกลางจึงเท่ากับอัตราส่วนของความยาวคลื่นของแสงในสุญญากาศต่อดัชนีการหักเหของแสง

5. เนื่องจากคลื่นแสงมีความถี่สูงมาก จากนั้นตาของผู้สังเกตจะไม่แยกความแตกต่างระหว่างการสั่นแต่ละครั้ง แต่รับรู้กระแสพลังงานโดยเฉลี่ย ดังนั้นแนวคิดเรื่องความรุนแรงจึงถูกนำเสนอ

ความเข้มคืออัตราส่วนของพลังงานเฉลี่ยที่คลื่นกระทำต่อช่วงเวลาและพื้นที่ของไซต์ตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น:

เนื่องจากพลังงานคลื่นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูด (ดูสูตร (3.25)) ความเข้มจะเป็นสัดส่วนกับค่าเฉลี่ยของกำลังสองของแอมพลิจูด

ลักษณะของความเข้มของแสงโดยคำนึงถึงความสามารถในการทำให้เกิดความรู้สึกทางสายตาคือ ฟลักซ์ส่องสว่าง - F .

6. ลักษณะคลื่นของแสงปรากฏออกมา เช่น ในปรากฏการณ์เช่นการรบกวนและการเลี้ยวเบน

เจ. แม็กซ์เวลล์ในปี 2407 ได้สร้างทฤษฎีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตามที่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีอยู่เป็นองค์ประกอบที่สัมพันธ์กันของทั้งหมดเดียว - สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในพื้นที่ที่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ สนามไฟฟ้ากระแสสลับจะตื่นเต้น และในทางกลับกัน

สนามแม่เหล็กไฟฟ้า- สสารชนิดหนึ่งซึ่งมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเชื่อมต่อกันด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในอวกาศในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความผันผวนของเวกเตอร์ความตึงเครียด อีและเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บีเกิดขึ้นในระนาบตั้งฉากซึ่งกันและกันและตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น (เวกเตอร์ความเร็ว)

คลื่นเหล่านี้ถูกปล่อยออกมาจากการสั่นของอนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ในตัวนำด้วยความเร่ง เมื่อประจุเคลื่อนที่ในตัวนำ สนามไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ และส่วนหลังทำให้เกิดสนามไฟฟ้ากระแสสลับที่ระยะห่างจากประจุมากขึ้น เป็นต้น

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไปเรียกว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า.

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแพร่กระจายในสุญญากาศหรือสารอื่นๆ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงในสุญญากาศ c=3 10 8 ม./วินาที. ในเรื่องความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะน้อยกว่าในสุญญากาศ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านำพาพลังงาน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติพื้นฐานดังต่อไปนี้:แพร่กระจายเป็นเส้นตรง มีความสามารถในการหักเห สะท้อนแสง มีปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน การรบกวน โพลาไรซ์ คุณสมบัติทั้งหมดเหล่านี้คือ คลื่นแสงครอบครองช่วงความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันในระดับของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

เรารู้ว่าความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างกันมาก เมื่อพิจารณาจากสเกลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ระบุความยาวคลื่นและความถี่ของการแผ่รังสีต่างๆ เราแยกแยะ 7 ช่วง: รังสีความถี่ต่ำ รังสีวิทยุ รังสีอินฟราเรด แสงที่มองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา

• คลื่นความถี่ต่ำ . แหล่งกำเนิดรังสี: กระแสความถี่สูง, เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ, เครื่องจักรไฟฟ้า ใช้สำหรับหลอมและชุบโลหะแข็ง การผลิตแม่เหล็กถาวร ในอุตสาหกรรมไฟฟ้า
• คลื่นวิทยุ เกิดขึ้นในเสาอากาศของสถานีวิทยุและโทรทัศน์ โทรศัพท์มือถือ เรดาร์ ฯลฯ ใช้ในการสื่อสารทางวิทยุ โทรทัศน์ และเรดาร์
• คลื่นอินฟราเรด ร่างกายที่ร้อนอบอ้าวทั้งหมดแผ่กระจายออกไป การใช้งาน: การหลอม การตัด การเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโลหะทนไฟ การถ่ายภาพในหมอกและความมืด การอบแห้งไม้ ผลไม้และผลเบอร์รี่ อุปกรณ์การมองเห็นตอนกลางคืน
• รังสีที่มองเห็นได้ ที่มา - แสงอาทิตย์, หลอดไฟฟ้าและหลอดฟลูออเรสเซนต์, อาร์คไฟฟ้า, เลเซอร์ การใช้งาน: แสง, เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก, ภาพสามมิติ
• รังสีอัลตราไวโอเลต . ที่มา: แสงอาทิตย์, อวกาศ, หลอดปล่อยก๊าซ (ควอตซ์), เลเซอร์ สามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคได้ มันถูกใช้เพื่อชุบแข็งสิ่งมีชีวิต
• รังสีเอกซ์ .

การค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวอย่างที่น่าทึ่งของปฏิสัมพันธ์ระหว่างการทดลองกับทฤษฎี มันแสดงให้เห็นว่าฟิสิกส์ได้รวมคุณสมบัติที่ดูเหมือนต่างกันโดยสิ้นเชิง - ไฟฟ้าและแม่เหล็ก - เปิดเผยในแง่มุมต่าง ๆ ของปรากฏการณ์ทางกายภาพเดียวกัน - ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า วันนี้เป็นหนึ่งในสี่ปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพพื้นฐานที่รู้จัก ซึ่งรวมถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์และแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงและอ่อนแอ ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าแรงต่ำได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว ซึ่งอธิบายถึงแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนจากจุดยืนที่เป็นหนึ่งเดียว นอกจากนี้ยังมีทฤษฎีการรวมเป็นหนึ่งต่อไป - ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ - ซึ่งครอบคลุมการโต้ตอบทางไฟฟ้าและการโต้ตอบที่แข็งแกร่ง แต่ความแม่นยำค่อนข้างต่ำกว่า อธิบาย ทั้งหมดปฏิสัมพันธ์ขั้นพื้นฐานจากตำแหน่งที่รวมเป็นหนึ่งยังไม่บรรลุผล แม้ว่าการวิจัยอย่างเข้มข้นกำลังดำเนินการในทิศทางนี้ภายในกรอบของสาขาวิชาฟิสิกส์ เช่น ทฤษฎีสตริงและแรงโน้มถ่วงควอนตัม

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ James Clark Maxwell นักฟิสิกส์ทำนายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (อาจเป็นครั้งแรกในปี 1862 ในงาน "On Physical Lines of Force" แม้ว่าคำอธิบายโดยละเอียดของทฤษฎีจะปรากฏในปี 1867) เขาขยันขันแข็งและพยายามแปลเป็นภาษาทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดของ Michael Faraday ภาพที่ไร้เดียงสาเล็กน้อยซึ่งอธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กตลอดจนผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ เมื่อสั่งปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กทั้งหมดในลักษณะเดียวกัน แมกซ์เวลล์ได้ค้นพบข้อขัดแย้งหลายประการและไม่มีความสมมาตร ตามกฎของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับจะสร้างสนามไฟฟ้า แต่ไม่ทราบว่าสนามไฟฟ้ากระแสสลับสร้างสนามแม่เหล็กหรือไม่ แมกซ์เวลล์จัดการเพื่อขจัดความขัดแย้งและฟื้นฟูความสมมาตรของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กโดยการใส่คำศัพท์เพิ่มเติมเข้าไปในสมการ ซึ่งอธิบายลักษณะที่ปรากฏของสนามแม่เหล็กเมื่อสนามไฟฟ้าเปลี่ยนไป เมื่อถึงเวลานั้น ต้องขอบคุณการทดลองของ Oersted เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ากระแสตรงสร้างสนามแม่เหล็กคงที่รอบๆ ตัวนำ คำศัพท์ใหม่นี้อธิบายแหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กอีกแหล่งหนึ่ง แต่อาจคิดได้ว่าเป็นกระแสไฟฟ้าจินตภาพชนิดหนึ่ง ซึ่งแมกซ์เวลล์เรียกว่า อคติปัจจุบันเพื่อแยกความแตกต่างจากกระแสปกติในตัวนำและอิเล็กโทรไลต์ - กระแสนำ ผลที่ได้คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับทำให้เกิดสนามไฟฟ้า และสนามไฟฟ้ากระแสสลับจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น จากนั้นแมกซ์เวลล์ก็ตระหนักว่าด้วยการผสมผสานกัน สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แกว่งไกวสามารถแยกออกจากตัวนำที่สร้างพวกมันและเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศด้วยความเร็วที่แน่นอน แต่มีความเร็วสูงมาก เขาคำนวณความเร็วนี้ และกลายเป็นประมาณสามแสนกิโลเมตรต่อวินาที

แมกซ์เวลล์ตกใจกับผลลัพธ์ที่ได้เขียนถึงวิลเลียม ทอมสัน (ลอร์ดเคลวิน ผู้ซึ่งแนะนำมาตราส่วนอุณหภูมิสัมบูรณ์โดยเฉพาะ): “ความเร็วของการแกว่งของคลื่นตามขวางในตัวกลางสมมุติของเรา ซึ่งคำนวณจากการทดลองแม่เหล็กไฟฟ้าของ Kohlrausch และ Weber เกิดขึ้นพร้อมกัน แม่นยำด้วยความเร็วแสงคำนวณจากการทดลองทางแสงของฟิโซที่เราปฏิเสธข้อสรุปไม่ได้ว่า แสงประกอบด้วยการสั่นสะเทือนตามขวางของตัวกลางเดียวกันซึ่งเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก". และเพิ่มเติมในจดหมาย: “ฉันได้รับสมการของฉันในขณะที่อาศัยอยู่ในต่างจังหวัดและไม่สงสัยความใกล้ชิดของความเร็วของการแพร่กระจายของเอฟเฟกต์แม่เหล็กที่ฉันพบถึงความเร็วแสงดังนั้นฉันคิดว่าฉันมีเหตุผลทุกประการที่จะต้องพิจารณาเรื่องแม่เหล็ก และสื่อส่องสว่างเป็นสื่อเดียวกัน ...”

สมการของแมกซ์เวลล์ไปไกลกว่าหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน แต่มีความสวยงามและกระชับจนควรวางไว้ในที่ที่เห็นได้ชัดเจนในห้องเรียนฟิสิกส์ เพราะปรากฏการณ์ทางธรรมชาติส่วนใหญ่ที่มีนัยสำคัญต่อมนุษย์สามารถอธิบายได้เพียง สมการเหล่านี้สองสามบรรทัด นี่คือวิธีบีบอัดข้อมูลเมื่อรวมข้อเท็จจริงที่ไม่เหมือนกันก่อนหน้านี้เข้าด้วยกัน นี่เป็นหนึ่งในประเภทของสมการของแมกซ์เวลล์ในการแทนค่าเชิงอนุพันธ์ ชื่นชม.

ฉันต้องการเน้นว่าได้รับผลที่ท้อแท้จากการคำนวณของ Maxwell: การแกว่งของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นแนวขวาง (ซึ่งเขาเน้นย้ำตลอดเวลา) และการสั่นสะเทือนตามขวางจะแพร่กระจายเฉพาะในของแข็งเท่านั้น แต่จะไม่แพร่กระจายในของเหลวและก๊าซ เมื่อถึงเวลานั้น มีการวัดอย่างน่าเชื่อถือว่าความเร็วของการสั่นสะเทือนตามขวางในของแข็ง (เพียงแค่ความเร็วของเสียง) ยิ่งสูง ยิ่งพูดคร่าวๆ ยิ่งสื่อยิ่งหนัก (โมดูลัสของ Young ยิ่งมากขึ้นและมีความหนาแน่นต่ำ) และสามารถ ถึงหลายกิโลเมตรต่อวินาที ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวางสูงกว่าความเร็วเสียงในของแข็งเกือบแสนเท่า และควรสังเกตว่าลักษณะความแข็งนั้นรวมอยู่ในสมการความเร็วของเสียงในของแข็งใต้ราก ปรากฎว่าสื่อที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (และแสง) ผ่านนั้นมีลักษณะความยืดหยุ่นอย่างมหึมา คำถามที่ยากมากเกิดขึ้น: “ร่างกายอื่นๆ จะเคลื่อนที่ผ่านสื่อที่เป็นของแข็งได้อย่างไรและไม่รู้สึกถึงมันได้อย่างไร” สื่อสมมุติฐานถูกเรียกว่า - อีเธอร์ ประกอบกับคุณสมบัติที่แปลกประหลาดในเวลาเดียวกันและโดยทั่วไปแล้วคุณสมบัติพิเศษที่ไม่เกิดร่วมกัน - ความยืดหยุ่นมหาศาลและความสว่างที่ไม่ธรรมดา

งานของแมกซ์เวลล์ทำให้เกิดความตกใจในหมู่นักวิทยาศาสตร์ร่วมสมัย ฟาราเดย์เองก็เขียนด้วยความประหลาดใจว่า: "ในตอนแรกฉันยิ่งตกใจเมื่อเห็นว่ากำลังทางคณิตศาสตร์ใช้กับคำถามนั้น แต่แล้วฉันก็แปลกใจที่เห็นว่าคำถามสามารถต้านทานได้ดี" แม้ว่ามุมมองของแมกซ์เวลล์จะพลิกความคิดทั้งหมดที่ทราบเกี่ยวกับการแพร่กระจายของคลื่นตามขวางและเกี่ยวกับคลื่นโดยทั่วไปในขณะนั้น นักวิทยาศาสตร์ที่มองการณ์ไกลก็เข้าใจดีว่าความบังเอิญของความเร็วของแสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นผลพื้นฐาน ซึ่งกล่าวว่า ที่นี่เป็นที่ที่ความก้าวหน้าหลักกำลังรอฟิสิกส์อยู่

น่าเสียดายที่ Maxwell เสียชีวิตก่อนกำหนดและไม่ได้มีชีวิตอยู่เพื่อดูการยืนยันการทดลองที่เชื่อถือได้สำหรับการคำนวณของเขา ความคิดเห็นทางวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติเปลี่ยนไปอันเป็นผลมาจากการทดลองของไฮน์ริช เฮิรตซ์ ซึ่ง 20 ปีต่อมา (พ.ศ. 2429-2532) ได้สาธิตการสร้างและการรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชุดการทดลอง เฮิรตซ์ไม่เพียงแต่ได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องในห้องแล็บอันเงียบสงบเท่านั้น แต่ยังปกป้องมุมมองของแมกซ์เวลล์ด้วยความกระตือรือร้นและแน่วแน่ ยิ่งกว่านั้น เขาไม่ได้จำกัดตัวเองอยู่แค่การทดลองพิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ยังตรวจสอบคุณสมบัติพื้นฐานของพวกมันด้วย (การสะท้อนจากกระจก การหักเหของแสงในปริซึม การเลี้ยวเบน การรบกวน ฯลฯ) ซึ่งแสดงถึงเอกลักษณ์ที่สมบูรณ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแสง

เป็นเรื่องน่าแปลกที่เมื่อเจ็ดปีก่อนเฮิรตซ์ในปี พ.ศ. 2422 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เดวิด เอ็ดเวิร์ด ฮิวจ์ส (ฮิวจ์ส - ดี. อี. ฮิวจ์ส) ยังแสดงให้นักวิทยาศาสตร์รายใหญ่คนอื่นๆ ได้แสดงให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เห็นด้วย (ในหมู่พวกเขาเป็นนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ที่เก่งกาจด้วย เกออร์ก-กาเบรียล สโตกส์) ผลของการขยายพันธุ์ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอากาศ จากการอภิปราย นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าพวกเขาเห็นปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ ฮิวจ์อารมณ์เสีย ไม่เชื่อในตัวเอง และตีพิมพ์ผลงานในปี พ.ศ. 2442 เมื่อทฤษฎีแมกซ์เวลล์-เฮิร์ตซ์เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าในทางวิทยาศาสตร์ การเผยแพร่อย่างต่อเนื่องและการโฆษณาชวนเชื่อของผลลัพธ์ที่ได้ มักจะมีความสำคัญไม่น้อยไปกว่าผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์เอง

ไฮน์ริช เฮิร์ตซ์สรุปผลการทดลองของเขาด้วยวิธีต่อไปนี้: "การทดลองที่อธิบายไว้ อย่างน้อย สำหรับฉัน ดูเหมือนว่า ได้ขจัดข้อสงสัยเกี่ยวกับเอกลักษณ์ของแสง การแผ่รังสีความร้อน และการเคลื่อนที่ของคลื่นไฟฟ้าไดนามิก"

บทที่ 1

พารามิเตอร์หลักของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร ลองนึกภาพตัวอย่างต่อไปนี้ได้ง่ายๆ หากคุณโยนก้อนกรวดลงบนผิวน้ำ คลื่นที่แยกออกเป็นวงกลมจะเกิดขึ้นบนพื้นผิว พวกเขาย้ายจากแหล่งที่มาของการเกิด (การก่อกวน) ด้วยความเร็วของการแพร่กระจาย สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การรบกวนคือสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่ในอวกาศ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลาจำเป็นต้องทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ และในทางกลับกัน ฟิลด์เหล่านี้เชื่อมต่อถึงกัน

แหล่งที่มาหลักของสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือดาวฤกษ์ของดวงอาทิตย์ ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามองเห็นด้วยตามนุษย์ สเปกตรัมนี้อยู่ภายใน 380...780 นาโนเมตร (รูปที่ 1.1) ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ตารับรู้แสงต่างกัน การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกันทำให้เกิดความรู้สึกของแสงที่มีสีต่างกัน

ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการออกอากาศทางวิทยุและโทรทัศน์และการสื่อสาร แหล่งที่มาของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือลวด (เสาอากาศ) ซึ่งประจุไฟฟ้าผันผวน ขั้นตอนการก่อตัวของทุ่งนาซึ่งเริ่มใกล้กับเส้นลวดค่อยๆ ทีละจุด จับพื้นที่ทั้งหมด ยิ่งความถี่ของกระแสสลับที่ไหลผ่านเส้นลวดและสร้างสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กสูงเท่าใด คลื่นวิทยุที่มีความยาวที่กำหนดก็จะยิ่งรุนแรงขึ้นเท่านั้น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะสำคัญดังนี้

1. ความยาวคลื่น lv, - ระยะทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุดสองจุดในอวกาศซึ่งเฟสของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าฮาร์มอนิกเปลี่ยนแปลง 360 ° เฟสเป็นสถานะ (ระยะ) ของกระบวนการเป็นระยะ (รูปที่ 1.2)

ในการแพร่ภาพโทรทัศน์ภาคพื้นดินจะใช้คลื่นเมตร (MB) และเดซิเมตร (UHF) ในคลื่นดาวเทียม - เซนติเมตร (CM) เมื่อเติมช่วงความถี่ของ CM แล้ว ช่วงของคลื่นมิลลิเมตร (Ka-band) จะถูกควบคุม

2. ระยะการสั่นของคลื่น ที-เวลาที่มีการเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามโดยสมบูรณ์ กล่าวคือ เวลาที่จุดคลื่นวิทยุซึ่งมีเฟสคงที่บางส่วนเคลื่อนที่ในเส้นทางเท่ากับความยาวคลื่น lb

3. ความถี่ของการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า F(จำนวนการแกว่งของสนามต่อวินาที) ถูกกำหนดโดยสูตร

หน่วยของความถี่คือเฮิรตซ์ (Hz) - ความถี่ที่เกิดการสั่นสะเทือนหนึ่งครั้งต่อวินาที ในการออกอากาศผ่านดาวเทียม เราต้องรับมือกับความถี่ของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัดเป็นกิกะเฮิรตซ์ที่ความถี่สูงมาก

สำหรับการออกอากาศทางโทรทัศน์โดยตรงผ่านดาวเทียม (SNTV) ตามแนว Space - Earth จะใช้ช่วง C-band ต่ำและส่วนหนึ่งของช่วง Ku (10.7 ... 12.75 GGi) ส่วนบนของช่วงเหล่านี้ใช้เพื่อส่งข้อมูลผ่านเส้น Earth-Space (ตารางที่ 1.1)

4. ความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นจาก - ความเร็วของการแพร่กระจายต่อเนื่องของคลื่นจากแหล่งพลังงาน (เสาอากาศ)

ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุในพื้นที่ว่าง (สูญญากาศ) มีค่าคงที่และเท่ากับความเร็วของแสง C = 300,000 km/s แม้จะมีความเร็วสูงเช่นนี้ แต่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามเส้น Earth-Space-Earth ใน 0.24 วินาที ภาคพื้นดินสามารถรับส่งสัญญาณวิทยุและโทรทัศน์ได้แทบจะในทันทีทุกจุด เมื่อแพร่กระจายในอวกาศจริง เช่น ในอากาศ ความเร็วของคลื่นวิทยุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง ซึ่งมักจะน้อยกว่า จากเกี่ยวกับค่าดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลาง

ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า F ความเร็วของการแพร่กระจาย C และความยาวคลื่น l สัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์

lv=C/F และตั้งแต่ F=1/T ,แล้ว lv=C*T

แทนค่าความเร็ว С= 300,000 km/s ในสูตรสุดท้าย จะได้

lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)

สำหรับความถี่สูงความยาวคลื่นของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถกำหนดได้โดยสูตร lv (m) = 300 / F (MHz) เมื่อทราบความยาวคลื่นของการแกว่งแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่จะถูกกำหนดโดยสูตร F (MHz) = 300 / lv (ม.)

5. โพลาไรซ์ของคลื่นวิทยุองค์ประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะเป็นเวกเตอร์ตามลำดับ E และ Hซึ่งแสดงคุณค่าของจุดแข็งและทิศทางของสนาม โพลาไรเซชันคือทิศทางของเวกเตอร์สนามไฟฟ้า อีคลื่นสัมพันธ์กับพื้นผิวโลก (รูปที่ 1.2)

ประเภทของโพลาไรซ์ของคลื่นวิทยุถูกกำหนดโดยการวางแนว (ตำแหน่ง) ของเสาอากาศส่งสัญญาณที่สัมพันธ์กับพื้นผิวโลก ทั้งโทรทัศน์ภาคพื้นดินและโทรทัศน์ดาวเทียมใช้โพลาไรซ์เชิงเส้น เช่น แนวนอน ชมและแนวตั้ง V (รูปที่ 1.3)

คลื่นวิทยุที่มีเวกเตอร์สนามไฟฟ้าแนวนอนเรียกว่าโพลาไรซ์ในแนวนอนและมีโพลาไรซ์ในแนวตั้ง ระนาบโพลาไรเซชันของคลื่นสุดท้ายเป็นแนวตั้ง และเวกเตอร์ ชม(ดูรูปที่ 1.2) อยู่ในระนาบแนวนอน

หากเสาอากาศส่งสัญญาณติดตั้งในแนวนอนเหนือพื้นผิวโลก เส้นสนามไฟฟ้าก็จะอยู่ในแนวนอนด้วย ในกรณีนี้ สนามจะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุด (EMF) ในแนวนอน

รูปที่ 1.4 โพลาไรซ์แบบวงกลมของคลื่นวิทยุ:

LZ-ซ้าย; RZ-ขวา

เสาอากาศรับสัญญาณแบบติดร่ม ดังนั้นที่ ชมโพลาไรซ์ของคลื่นวิทยุ เสาอากาศรับต้องวางในแนวนอน ในกรณีนี้ ในทางทฤษฎีจะไม่มีการรับสัญญาณวิทยุบนเสาอากาศในแนวตั้ง เนื่องจาก EMF ที่เหนี่ยวนำในเสาอากาศนั้นเป็นศูนย์ ในทางกลับกัน ด้วยตำแหน่งแนวตั้งของเสาอากาศส่งสัญญาณ ต้องวางเสาอากาศรับสัญญาณในแนวตั้งด้วย ซึ่งจะทำให้คุณได้รับ EMF สูงสุดในนั้น

ในการออกอากาศทางโทรทัศน์จากดาวเทียมโลกเทียม (AES) นอกเหนือจากโพลาไรเซชันเชิงเส้นแล้ว โพลาไรเซชันแบบวงกลมยังใช้กันอย่างแพร่หลาย นี่เป็นเพราะความหนาแน่นของอากาศอย่างผิดปกติเนื่องจากมีดาวเทียมสื่อสารและดาวเทียมจำนวนมากสำหรับการออกอากาศทางโทรทัศน์โดยตรง (โดยตรง) ในวงโคจร

บ่อยครั้งในตารางพารามิเตอร์ดาวเทียมจะให้ตัวย่อสำหรับประเภทของโพลาไรซ์แบบวงกลม - แอลและอาร์โพลาไรเซชันแบบวงกลมของคลื่นวิทยุสร้าง ตัวอย่างเช่น เกลียวรูปกรวยบนฟีดของเสาอากาศส่งสัญญาณ โพลาไรซ์แบบวงกลมจะอยู่ทางซ้ายหรือขวา ขึ้นอยู่กับทิศทางของการหมุนของเกลียว (รูปที่ 1.4)

ดังนั้นจะต้องติดตั้งโพลาไรเซอร์ในเครื่องฉายรังสีของเสาอากาศโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมภาคพื้นดินซึ่งตอบสนองต่อโพลาไรซ์แบบวงกลมของคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากเสาอากาศรับสัญญาณดาวเทียม

ให้เราพิจารณาประเด็นของการมอดูเลตความถี่สูงและสเปกตรัมระหว่างการส่งสัญญาณจากดาวเทียม ขอแนะนำให้ทำเช่นนี้เมื่อเปรียบเทียบกับระบบกระจายเสียงภาคพื้นดิน

การแยกระหว่างความถี่ของภาพและเสียงของผู้ให้บริการเสียงคือ 6.5 MHz แถบข้างด้านล่างที่เหลือ (ทางด้านซ้ายของตัวพาภาพ) คือ 1.25 MHz และความกว้างของช่องสัญญาณเสียงคือ 0.5 MHz

(รูปที่ 1.5). ด้วยเหตุนี้ ความกว้างทั้งหมดของช่องโทรทัศน์จึงเท่ากับ 8.0 MHz (ตามมาตรฐาน D และ K ที่ใช้ในประเทศ CIS)

สถานีโทรทัศน์ที่ส่งสัญญาณมีเครื่องส่งสัญญาณสองเครื่อง หนึ่งในนั้นส่งสัญญาณภาพไฟฟ้าและอีกเสียงหนึ่งตามลำดับที่ความถี่พาหะที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์บางอย่างของการแกว่งความถี่สูงของพาหะ (กำลัง ความถี่ เฟส ฯลฯ) ภายใต้อิทธิพลของการสั่นของความถี่ต่ำเรียกว่ามอดูเลชัน ใช้การมอดูเลตหลักสองประเภท: แอมพลิจูด (AM) และความถี่ (FM) ในโทรทัศน์ สัญญาณภาพจะถูกส่งจาก AM และเสียงจาก FM หลังจากการมอดูเลต การสั่นของไฟฟ้าจะถูกขยายกำลัง จากนั้นพวกมันจะเข้าสู่เสาอากาศส่งสัญญาณและถูกแผ่ออกไปในอวกาศ (อีเธอร์) ในรูปของคลื่นวิทยุ

การแพร่ภาพโทรทัศน์ภาคพื้นดิน 8 รายการ ด้วยเหตุผลหลายประการ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้ FM ในการส่งสัญญาณภาพ มีสถานที่ออกอากาศทาง SM มากขึ้น และมีโอกาสเช่นนั้นอยู่ ส่งผลให้ช่องสัญญาณดาวเทียม (transponder) ใช้คลื่นความถี่ 27 MHz

ข้อดีของการปรับความถี่ของสัญญาณ subcarrier:

ความไวต่อการรบกวนและสัญญาณรบกวนน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ AM ความไวต่ำต่อความไม่เชิงเส้นของลักษณะไดนามิกของช่องสัญญาณส่งสัญญาณ ตลอดจนความเสถียรของการส่งสัญญาณในระยะทางไกล ลักษณะเหล่านี้อธิบายโดยความคงตัวของระดับสัญญาณในช่องสัญญาณส่งสัญญาณ ความเป็นไปได้ของการแก้ไขความถี่ของการบิดเบือนซึ่งส่งผลดีต่ออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน เนื่องจาก FM สามารถลดกำลังของเครื่องส่งสัญญาณได้อย่างมากเมื่อส่งข้อมูลผ่าน ระยะทางเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ระบบกระจายเสียงภาคพื้นดินใช้เครื่องส่งสัญญาณที่ทรงพลังกว่า 5 เท่าในการส่งสัญญาณภาพบนสถานีโทรทัศน์เดียวกันมากกว่าการส่งสัญญาณเสียง