Що таке електромагнітні хвилі? Електромагнітна хвиля – процес поширення електромагнітного поля у просторі.

Електромагнітні хвилі – це результат багаторічних суперечок та тисяч експериментів. Доказ наявності сил природного походження, здатних перевернути суспільство, що склалося. Це фактичне прийняття простої істини – ми дуже мало знаємо світ, у якому живемо.

Фізика – королева серед наук про природу, здатна дати відповіді питання походження як життя, а й світу. Вона дає вченим здатність вивчати електричне та магнітне поле, взаємодія яких породжує ЕМВ (електромагнітні хвилі).

Що таке електромагнітна хвиля

Нещодавно на екрани нашої країни вийшов фільм «Війна струмів» (2018), де з ноткою художнього вимислу розповідається про суперечку двох великих учених Едісона та Тесла. Один намагався довести вигоду від постійного струму, Інший - від змінного. Ця тривала битва закінчилася лише сьомого року двадцять першого століття.

На самому початку «битви» інший вчений, займаючись опрацюванням теорії відносності, описував електрику та магнетизм як схожі явища.

У тридцятому році дев'ятнадцятого століття фізик англійського походженняФарадей відкрив явище електромагнітної індукціїі ввів термін єдності поля електричного та магнітного. Також він стверджував, що рух у цьому полі обмежений швидкістю світла.

Трохи згодом теорія англійського вченого Максвелла повідала у тому, що електрика викликає магнітний ефект, а магнетизм — поява електричного поля. Оскільки обидва ці поля рухаються у просторі та часі, то утворюють обурення – тобто електромагнітні хвилі.

Говорячи простіше електромагнітна хвиля – це просторове обурення електро магнітного поля.

Експериментальне існування ЕМВ довів німецький вчений Герц.

Електромагнітні хвилі, їх властивості та характеристика

Електромагнітні хвилі характеризуються такими факторами:

• довжиною (досить широким діапазоном);
• частотою;
• інтенсивністю (або амплітудою коливання);
• кількістю енергії.

Основна властивість усіх електромагнітних випромінювань - це величина довжини хвилі (у вакуумі), яка зазвичай вказується в нанометрах видимого світлового спектра.

Кожен нанометр є тисячною частиною мікрометра і вимірюється відстанню між двома послідовними піками (вершинами).

Відповідна частота випромінювання хвилі – це число синусоїдальних коливань та зворотна пропорційність довжині хвилі.

Частота зазвичай вимірюється у Герцах. Таким чином, довші хвилі відповідають нижчій частоті випромінювання, а короткі — високій частоті випромінювання.

Основні властивості хвиль:

• заломлення;
• відображення;
• поглинання;
• інтерференція.

Швидкість електромагнітної хвилі

Фактична швидкість поширення електромагнітної хвилі залежить від матеріалу, яким володіє середовище, його оптичної щільності та наявності такого фактора як тиск.

Крім того, різні матеріалимають різну щільність «упаковки» атомів, чим ближче вони розташовані, тим менша відстань і вища швидкість. Внаслідок цього швидкість електромагнітної хвилі залежить від матеріалу, через який вона рухається.

Подібні експерименти ставляться в адронному колайдері, де основним інструментом впливу є заряджена частка. Вивчення електромагнітних явищвідбувається там на квантовому рівні, коли світло розкладається на найдрібніші частки - фотони. Але квантова фізика- Це окрема тема.

Відповідно до теорії відносності, найбільша швидкість поширення хвилі неспроможна перевищувати світлову.Кінцевість швидкісної межі у своїх працях описав Максвелл, пояснюючи це наявністю нового поля – ефір. Сучасна офіційна наука подібного взаємозв'язку поки що не вивчала.

Електромагнітне випромінювання та його види

Електромагнітне випромінювання складається з електромагнітних хвиль, які спостерігаються у вигляді коливання електричного та магнітного полів, що розповсюджуються на швидкості світла (300 км за секунду у вакуумі).

Коли ЕМ-випромінювання взаємодіє з речовиною, його поведінка якісно змінюється у міру зміни частоти. Чому воно перетворюється на:

1. Радіовипромінювання.На радіочастотах та мікрохвильових частотах ем-випромінювання взаємодіє з речовиною в основному у вигляді загального набору зарядів, які розподілені по великій кількостіпорушених атомів.
2. Інфрачервоне випромінювання.На відміну від низькочастотного радіовипромінювання та НВЧ-випромінювання інфрачервоний випромінювач зазвичай взаємодіє з диполями, присутніми в окремих молекулах, які в міру вібрації змінюються на кінцях хімічного зв'язкуна атомному рівні.
3. Видимо світлове випромінювання.У міру того, як частота збільшується у видимий ряд, фотони мають достатню енергію для зміни скріпленої структури деяких окремо взятих молекул.
4. Ультрафіолетове випромінювання.Частота збільшується. В ультрафіолетових фотонах тепер достатньо енергії (більше трьох вольт), щоб вплинути подвійно на зв'язки молекул, постійно хімічно їх перебудовуючи.
5. Іонізуюче випромінювання.На найвищих частотах та найменших по довжині хвилі. Поглинання цих променів матерією зачіпає весь гамма-спектр. Найвідоміший ефект – радіація.

Що є джерелом електромагнітних хвиль

Світ, згідно з молодою теорією про походження всього, виник завдяки імпульсу. Він визволив колосальну енергію, яку назвали великим вибухом. Так в історії всесвіту з'явилася перша ем-хвиля.

В даний час до джерел формування збурень належать:

• емв випромінює штучний вібратор;
• результат коливання атомних груп чи частин молекул;
• якщо відбувається вплив на зовнішню оболонкуречовини (на атомно-молекулярному рівні);
• ефект схожий зі світловим;
• при ядерному розпаді;
• наслідок гальмування електронів.

Шкала та застосування електромагнітних випромінювань

Під шкалою випромінювання розуміється великий діапазон частоти хвилі від 3·10 6 ÷10 -2 до 10 -9 ÷ 10 -14 .

Кожна частина електромагнітного спектру має велику область застосування в нашому повсякденному житті:

1. Хвилі маленької довжини (мікрохвилі). Дані електрохвилі використовуються як супутниковий сигнал, оскільки здатні пройти атмосферу землі. Також трохи посилений варіант використовується для розігріву та приготування на кухні – це мікрохвильова піч. Принцип приготування простий – під дією мікрохвильового випромінюванняпоглинаються та прискорюються молекули води, через що страва нагрівається.
2. Довгі обурення використовують у радіотехнологіях (радіохвилі). Їх частота не дозволяє пройти хмари та атмосферу, завдяки чому нам доступне FM-радіо та телебачення.
3. Інфрачервоне обурення безпосередньо з теплом. Побачити його практично неможливо. Спробуйте помітити без спеціального обладнання промінь з пульта керування телевізора, музичного центру або магнітоли в машині. Прилади, здатні зчитувати подібні хвилі, використовуються в арміях країн (прилад нічного бачення). Також у індуктивних плитах на кухнях.
4. Ультрафіолет також стосується тепла. Найпотужніший природний "генератор" такого випромінювання - це сонце. Саме через дію ультрафіолету на шкірі людини утворюється засмага. У медицині цей тип хвиль використовується для дезінфекції інструментів, вбиваючи мікроби та .
5. Гамма-промені - це найпотужніший тип випромінювання, в якому сконцентрувалося короткохвильове обурення з великою частотою. Енергія, укладена у цю частину електромагнітного спектра, дає променям велику проникаючу здатність. Застосовується в ядерної фізики– мирна, ядерна зброя – бойове застосування.

Вплив електромагнітних хвиль на здоров'я людини

Вимірювання впливу ЕМВ на людину - це обов'язок вчених. Але не потрібно бути фахівцем, щоб оцінити інтенсивність іонізуючого випромінювання – воно провокує зміни на рівні ДНК людини, що спричиняє такі серйозні захворювання як онкологія.

Недаремно згубний вплив катастрофи ЧАЕС вважається однією з найнебезпечніших для природи. Декілька квадратних кілометрів колись красивої території стали зоною повного відчуження. До кінця століття вибух на ЧАЕС становить небезпеку, доки не закінчиться напіврозпад радіонуклідів.

Деякі типи емв (радіо, інфрачервоні, ультрафіолет) не завдають людині сильної шкоди і є лише дискомфортом. Адже магнітне поле землі нами практично не відчувається, а от ЕМВ від мобільного телефонаможе викликати головну біль(Вплив на нервову систему).

Для того, щоб убезпечити здоров'я від електромагнетизму, слід просто використовувати заходи розумної безпеки. Замість сотень годин за комп'ютерною грою вийти погуляти.

В 1864 Джеймс Клерк Максвелл передбачив можливість існування в просторі електромагнітних хвиль. Це твердження він висунув виходячи з висновків, які з аналізу всіх відомих на той час експериментальних даних щодо електрики і магнетизму.

Максвелл математично об'єднав закони електродинаміки, зв'язавши електричні та магнітні явища, і таким чином дійшов висновку, що електронне і магнітне поля, що змінюються з плином часу, породжують один одного.

Спочатку він наголосив на тому факті, що взаємозв'язок магнітних і електричних явищне симетрична, і ввів термін «вихрове електричне поле», запропонувавши своє, по-справжньому нове пояснення явища електромагнітної індукції, відкритого Фарадеєм: «будь-яка зміна магнітного поля призводить до появи в навколишньому просторі вихрового електричного поля, що має замкнуті силові лінії».

Справедливим, на думку Максвелла, було і зворотне твердження, що «електричне поле, що змінюється, породжує магнітне поле в навколишньому просторі», проте це твердження залишалося спочатку тільки гіпотезою.

Максвелл записав систему математичних рівнянь, які несуперечливо описали закони взаємних перетворень магнітного та електричного полів, ці рівняння стали згодом основними рівняннями електродинаміки, і стали називатися «рівняння Максвелла» на честь великого вченого, що їх записав. Гіпотеза Максвелла, з опорою на написані рівняння, отримала кілька надзвичайно важливих для науки і техніки висновків, які наведені нижче.

Електромагнітні хвилі справді існують

У просторі можуть існувати поперечні електромагнітні хвилі, що являють собою те, що поширюється з часом . На те, що хвилі є поперечними, вказує той факт, що вектори магнітної індукції і напруженості електричного поля Е взаємно перпендикулярні і обидва лежать в площині перпендикулярної напрямку поширення електромагнітної хвилі.

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у речовині кінцева, і визначається вона електричними та магнітними властивостямиречовини, якою хвиля поширюється. Довжина синусоїдальної хвилі при цьому пов'язана зі швидкістю υ певним точним співвідношенням λ = υ / f, і залежить від частоти f коливань поля. Швидкість з електромагнітної хвилі у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант – швидкість світла у вакуумі.

Оскільки Максвелл заявляв про кінцівки швидкості поширення електромагнітної хвилі, це створило суперечність між його гіпотезою і прийнятої у ті часи теорією далекодії, згідно з якою швидкість поширення хвиль повинна була б бути нескінченною. Теорію Максвелла назвали тому теорією близькодії.

В електромагнітній хвилі одночасно відбувається перетворення електричного та магнітного полів один в одного, отже об'ємні щільності магнітної енергії та електричної енергіїрівні між собою. Отже справедливо твердження, що модулі напруженості електричного поля та індукції магнітного поля пов'язані між собою у кожній точці простору таким співвідношенням:

Електромагнітна хвиляу процесі свого розповсюдження створює потік електромагнітної енергії, і якщо розглянути майданчик у площині перпендикулярного напряму поширення хвилі, то за короткий час через неї переміститься певна кількість електромагнітної енергії. Щільність потоку електромагнітної енергії - це кількість енергії, яка переноситься електромагнітною хвилею через поверхню одиничної площі за одиницю часу. Підставивши значення швидкості, а також магнітної та електричної енергії, можна отримати вираз для щільності потоку через величини Е та В.

Оскільки напрям поширення енергії хвилі збігається з напрямом швидкості поширення хвилі, то потік енергії, що розповсюджується в електромагнітній хвилі, можна задати за допомогою вектора, спрямованого так само, як і швидкість поширення хвилі. Цей вектор отримав назву «вектор Пойнтінга» – на честь британського фізикаГенрі Пойнтінга, який розробив у 1884 році теорію поширення потоку енергії електромагнітного поля. Щільність потоку енергії хвилі вимірюється у Вт/кв.м.

При дії електричного поля на речовину, в ньому з'являються невеликі струми, що є впорядкованим рухом електрично заряджених частинок. Ці струми в магнітному полі електромагнітної хвилі зазнають дії сили Ампера, яка спрямована вглиб речовини. Сила Ампера і породжує у результаті тиск.

Це явище пізніше, в 1900 році, було досліджено і підтверджено досвідченим шляхом російським фізиком Петром Миколайовичем Лебедєвим, експериментальна робота якого стала дуже важливою для підтвердження теорії електромагнетизму Максвелла та її прийняття та затвердження надалі.

Той факт, що електромагнітна хвиля чинить тиск, дозволяє судити про наявність електромагнітного поля механічного імпульсу, який можна виразити для одиничного об'єму через об'ємну щільність електромагнітної енергії і швидкість поширення хвилі у вакуумі:

Оскільки імпульс пов'язаний з рухом маси, можна ввести і таке поняття як електромагнітна маса, і тоді для одиничного обсягу це співвідношення (відповідно до СТО) набуде характеру універсального закону природи, і виявиться справедливим для будь-яких матеріальних тіл, незалежно від форми матерії. А електромагнітне поле тоді схоже на матеріальне тіло - володіє енергією W, масою m, імпульсом p і кінцевою швидкістю поширення v. Тобто електромагнітне поле – це одна з форм реально існуючої у природі матерії.

Вперше 1888 року Генріх Герц підтвердив експериментально електромагнітну теорію Максвелла. Він досвідченим шляхом довів реальність електромагнітних хвиль та вивчив такі їх властивості як заломлення та поглинання у різних середовищах, а також відображення хвиль від металевих поверхонь.

Герц виміряв довжину хвилі і показав, що швидкість поширення електромагнітної хвилі дорівнює швидкості світла. Експериментальна робота Герца стала останнім кроком до визнання електромагнітної теорії Максвелла. Через сім років, у 1895 році, російський фізик Олександр Степанович Попов застосував електромагнітні хвилі для створення бездротового зв'язку.

У ланцюгах постійного струму заряди рухаються постійної швидкістю, і електромагнітні хвилі у разі у простір не випромінюються. Щоб мало випромінювання, необхідно скористатися антеною, у якій порушувалися б змінні струми, тобто струми, які швидко змінюють свій напрямок.

У найпростішому вигляді для випромінювання електромагнітних хвиль придатний електричний диполь невеликого розміру, у якого швидко змінювався в часі дипольний момент. Саме такий диполь називають сьогодні «диполь Герца», розмір якого в кілька разів менший за довжину випромінюваної ним хвилі.

При випромінюванні диполем Герца, максимальний потікелектромагнітної енергії посідає площину, перпендикулярну осі диполя. Уздовж осі диполя випромінювання електромагнітної енергії немає. У найважливіших експериментах Герца було використано елементарні диполі як випромінювання, так прийому електромагнітних хвиль, і було доведено існування електромагнітних хвиль.

М. Фарадей ввів поняття поля:

навколо заряду, що лежить, виникає електростатичне поле,

навколо зарядів, що рухаються, (струму) виникає магнітне поле.

У 1830 р. М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції: за зміни магнітного поля виникає вихрове електричне поле.

Рисунок 2.7 - Вихрове електричне поле

де,
- Вектор напруженості електричного поля,
- Вектор магнітної індукції.

Змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле.

У 1862 р. Д.К. Максвел висунув гіпотезу: при зміні електричного поля виникає вихрове магнітне поле.

Виникла ідея про єдине електромагнітне поле.

Рисунок 2.8 – Єдине електромагнітне поле.

Змінне електричне поле створює вихрове магнітне поле.

Електромагнітне поле- це особлива форма матерії - сукупність електричних та магнітних полів. Змінні електричні та магнітні поля існують одночасно і утворюють єдине електромагнітне поле. Воно матеріально:

Виявляє себе у дії як на покояться, так і на заряди, що рухаються;

Поширюється з великою, але кінцевою швидкістю;

Існує незалежно від нашої волі та бажань.

При швидкості заряду рівною нулю, існує лише електричне поле. За постійної швидкості заряду виникає електромагнітне поле.

При прискореному русі заряду відбувається випромінювання електромагнітної хвилі, яка поширюється у просторі з кінцевою швидкістю .

Розробка ідеї електромагнітних хвиль належить Максвеллу, але вже Фарадей здогадувався про їхнє існування, хоча побоявся опублікувати роботу (вона була прочитана понад 100 років після його смерті).

Головна умова виникнення електромагнітної хвилі – прискорений рух електричних зарядів.

Що є електромагнітна хвиля, легко уявити на наступному прикладі. Якщо на водну гладь кинути камінчик, то на поверхні утворюються хвилі, що розходяться колами. Вони рухаються від джерела виникнення (обурення) з певною швидкістю поширення. Для електромагнітних хвиль обурення є електричні і магнітні поля, що пересуваються в просторі. Електромагнітне поле, що змінюється в часі, обов'язково викликає появу змінного магнітного поля, і навпаки. Ці поля взаємно пов'язані.

Основним джерелом спектра електромагнітних хвиль є зірка Сонце. Частина спектра електромагнітних хвиль бачить очі людини. Цей спектр лежить у межах 380...780 нм (рис. 2.1). В області видимого діапазону очей відчуває світло по-різному. Електромагнітні коливання з різною довжиною хвиль викликають відчуття світла з різним забарвленням.

Рисунок 2.9 – Спектр електромагнітних хвиль

Частина спектра електромагнітних хвиль використовується для цілей радіотелевізійного вішання та зв'язку. Джерело електромагнітних хвиль - провід (антена), в якому відбувається коливання електричних зарядів. Процес формування полів, що почався поблизу дроту, поступово точку за точкою захоплює весь простір. Чим вища частота змінного струму, що проходить по дроту і породжує електричне або магнітне поле, тим інтенсивніше створювані дротом радіохвилі заданої довжини.

Радіо(лат. radio - випромінюю, випромінюю промені ← radius - промінь) - різновид бездротового зв'язку, при якому як носій сигналу використовуються радіохвилі, що вільно розповсюджуються в просторі.

Радіохвилі(від радіо...), електромагнітні хвилі з довжиною хвилі > 500 мкм (частотою< 6×10 12 Гц).

Радіохвилі - це електричні та магнітні поля, що змінюються у часі. Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі становить 300 000 км/с. Виходячи з цього, можна визначити довжину радіохвилі (м).

λ=300/f,деf – частота (МГц)

Звукові коливання повітря, створені під час телефонної розмови, перетворюються мікрофоном на електричні коливання звукової частоти, які по дротах передаються до апаратури абонента. Там, на іншому кінці лінії, вони за допомогою випромінювача телефону перетворюються на коливання повітря, що сприймаються абонентом як звуки. У телефонії засобом зв'язку ланцюга є дроти, радіомовлення - радіохвилі.

«Серцем» передавача будь-якої радіостанції є генератор - пристрій, що виробляє коливання високої, але постійної для даної радіостанції частоти. Ці коливання радіочастоти, посилені до необхідної потужності, надходять в антену і збуджують в навколишньому просторі електромагнітні коливання такої самої частоти - радіохвилі. Швидкість віддалення радіохвиль від антени радіостанції дорівнює швидкості світла: 300 000 км/с, що майже в мільйон разів швидше за поширення звуку в повітрі. Це означає, що коли на Московській радіомовній станції в певний момент часу включили передавач, то її радіохвилі менше ніж за 1/30 с дійдуть до Владивостока, а звук за цей час встигне поширитися лише на 10-11 м.

Радіохвилі поширюються не тільки в повітрі, але й там, де його немає, наприклад, у космічному просторі. Цим вони відрізняються від звукових хвиль, для яких абсолютно необхідне повітря або якесь інше щільне середовище, наприклад вода.

Електромагнітна хвиля - електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі (коливання векторів
). Поблизу заряду електричне та магнітне поля змінюються зі зсувом фаз p/2.

Рисунок 2.10 – Єдине електромагнітне поле.

На великій відстані від заряду електричне та магнітне поля змінюються синфазно.

Рисунок 2.11 - Синфазна зміна електричного та магнітного полів.

Електромагнітна хвиля поперечна. Напрямок швидкості електромагнітної хвилі збігається з напрямком руху правого гвинта при повороті ручки буравчика. до вектору .

Малюнок 2.12 – Електромагнітна хвиля.

Причому в електромагнітній хвилі виконується співвідношення
, де з – швидкість світла у вакуумі

Максвелл теоретично розрахував енергію та швидкість електромагнітних хвиль.

Таким чином, енергія хвилі прямо пропорційна четвертому ступеню частоти. Отже, щоб легше зафіксувати хвилю, необхідно, щоб вона була високою частотою.

Електромагнітні хвилі відкрили Г. Герцем (1887).

Закритий коливальний контур електромагнітних хвиль не випромінює: вся енергія електричного поля конденсатора перетворюється на енергію магнітного поля котушки. Частота коливань визначається параметрами коливального контуру:
.

Малюнок 2.13 - Коливальний контур.

Для збільшення частоти необхідно зменшити L та C, тобто. розгорнути котушку до прямого дроту, т.к.
зменшити площу пластин і розвести їх на максимальну відстань. Звідси видно, що ми отримаємо по суті прямий провідник.

Такий пристрій називається вібратором Герца. Середина розрізається та приєднується до високочастотного трансформатора. Між кінцями проводів, на яких закріплюються маленькі кульові кондуктори, проскакує електрична іскра, яка є джерелом електромагнітної хвилі. Хвиля поширюється так, що вектор напруженості електричного поля коливається в площині, де розташований провідник.

Малюнок 2.14 – Вібратор Герца.

Якщо паралельно випромінювачу розташувати такий самий провідник (антену), то заряди в ньому прийдуть у коливальний рух і між кондукторами проскакують слабкі іскри.

Герц виявив електромагнітні хвилі на досвіді і виміряв їх швидкість, яка збіглася з розрахованою Максвеллом і дорівнює =3. 10 8 м/с.

Змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, яке, своєю чергою, породжує змінне електричне поле, тобто антена, що збудило одне з полів, викликає появу єдиного електромагнітного поля. Найважливіша властивість цього поля у цьому, що його поширюється як електромагнітних хвиль.

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у середовищі без втрат залежить від щодо діелектричної та магнітної проникності середовища. Для повітря магнітна проникність середовища дорівнює одиниці, отже швидкість поширення електромагнітних хвиль у цьому випадку дорівнює швидкості світла.

Антенною може бути вертикальний провід, що живиться від генератора високої частоти. Генератор витрачає енергію на прискорення руху вільних електронів у провіднику, а ця енергія перетворюється на змінне електромагнітне поле, тобто електромагнітні хвилі. Чим більша частота струму генератора, тим швидше змінюється електромагнітне поле та інтенсивніше лікування хвиль.

З проводом антени пов'язані як електричне поле, силові лінії якого починаються на позитивних і закінчуються на негативних зарядах, і магнітне поле, лінії якого замикаються навколо струму проводу. Що менше період коливань, то менше часу залишається повернення енергії пов'язаних полів у провід (тобто, до генератору) і більше переходить їх у вільні поля, які поширюються далі як електромагнітних хвиль. Ефективне випромінювання електромагнітних хвиль відбувається за умови сумісності довжини хвилі та довжини випромінюючого дроту.

Таким чином, можна визначити, що радіохвиля- це не пов'язане з випромінювачем і каналоутворюючими пристроями електромагнітне поле, що вільно розповсюджується у просторі у вигляді хвилі з частотою коливань від 10-3 до 1012 Гц.

Коливання електронів в антені створюються джерелом ЕРС, що періодично змінюється, з періодом Т. Якщо в певний момент поле у ​​антени мало максимальне значення, то таке саме значення воно матиме згодом Т. За цей час електромагнітне поле, що існувало в початковий момент у антени, переміститься на відстань

λ = υТ (1)

Мінімальна відстань між двома точками простору, поле в яких має однакове значення, називається довжина хвилі.Як випливає з (1), довжина хвилі λ залежить від швидкості її поширення та періоду коливань електронів в антені. Так як частотаструму f = 1/T, то довжина хвилі λ = υ / f .

Радіолінія включає наступні основні частини:

Передавач

Приймач

Середовище, в якому поширюються радіохвилі.

Передавач і приймач є керованими елементами радіолінії, оскільки можна збільшити потужність передавача, підключити ефективнішу антену та збільшити чутливість приймача. Середовище є некерованим елементом радіолінії.

Відмінність лінії радіозв'язку від провідних ліній полягає в тому, що у провідних лініях як сполучна ланка використовуються дроти або кабель, які є керованими елементами (можна змінити їх електричні параметри).

Електромагнітні хвилі, якщо вірити фізиці, є одними з найзагадковіших. Вони енергія фактично зникає в нікуди, з'являється незрозуміло звідки. Більше жодного такого об'єкта немає у всій науці. Як же відбуваються всі ці чудові взаємоперетворення?

Електродинаміка Максвелла

А почалося все з того, що вчений Максвелл далекого 1865 року, спираючись на роботи Фарадея, вивів рівняння електромагнітного поля. Сам Максвелл вважав, що його рівняння описували кручення та натяг хвиль в ефірі. Через двадцять три роки Герц експериментально створив такі обурення в середовищі, причому вдалося не лише узгодити їх із рівняннями електродинаміки, а й отримати закони, що керують поширенням цих збурень. Виникла цікава тенденція оголошувати будь-які обурення, що мають електромагнітний характер, хвилями Герца. Однак ці випромінювання – не єдиний спосіб здійснення передачі енергії.

Безпровідний зв'язок

На сьогоднішній день до можливим варіантамздійснення подібного бездротового зв'язку відносять:

Електростатичний зв'язок, який також називається ємнісним;

Індукційну;

Токову;

Зв'язок Тесла, тобто зв'язок хвиль електронної щільності по провідних поверхнях;

Найширший спектр найпоширеніших носіїв, які називаються електромагнітні хвилі – від наднизьких частот до гамма-випромінювання.

Варто розглянути ці види зв'язку докладніше.

Електростатичний зв'язок

Два диполя є пов'язаними електричними силами у просторі, що є наслідком закону Кулона. Від електромагнітних хвиль даний типзв'язку відрізняється можливістю зв'язати диполі при розташуванні на одній лінії. Зі збільшенням відстаней сила зв'язку згасає, а також спостерігається сильний вплив різних перешкод.

Індукційний зв'язок

Заснована на магнітних полях розсіювання індуктивності. Спостерігається між об'єктами, які мають індуктивність. Застосування її досить обмежене через близьку дію.

Струмовий зв'язок

Завдяки струмам розтікання у провідному середовищі може виникнути певна взаємодія. Якщо через термінали (пара контактів) пропустити струми, то ці струми можна виявити на значній відстані від контактів. Саме це називається ефектом розтікання струмів.

Зв'язок Тесла

Знаменитий фізик Нікола Тесла винайшов зв'язок за допомогою хвиль на провідній поверхні. Якщо в якомусь місці площині порушити щільність носія заряду, то ці носії почнуть рух, який прагне відновлення рівноваги. Так як носії мають інерційну природу, то відновлення носить хвильовий характер.

Електромагнітний зв'язок

Випромінювання електромагнітних хвиль відрізняється величезним далекодією, тому що їх амплітуда обернено пропорційна відстані до джерела. Саме цей спосіб бездротового зв'язку набув найбільшого поширення. Але що таке електромагнітні хвилі? Для початку необхідно здійснити невеликий екскурс в історію їхнього відкриття.

Як з'явилися електромагнітні хвилі?

Почалося все в 1829, коли американський фізик Генрі виявив обурення електричних розрядів в експериментах з лейденськими банками. В 1832 фізиком Фарадеєм було висунуто припущення про існування такого процесу, як електромагнітні хвилі. Максвел в 1865 створив свої знамениті рівняння електромагнетизму. Наприкінці дев'ятнадцятого століття було багато успішних спроб створення бездротового зв'язку за допомогою електростатичного та електромагнітної індукціїЗнаменитий винахідник Едісон вигадав систему, яка дозволяла пасажирам залізницінадсилати та отримувати телеграми прямо під час руху поїзда. У 1888 року Г. Герц однозначно довів те, що електромагнітні хвилі виникають з допомогою пристрою, названого вібратором. Герц здійснив досвід передачі електромагнітного сигналу на відстань. В 1890 інженер і фізик Бранлі з Франції винайшов пристрій для реєстрації електромагнітних випромінювань. Згодом цей прилад був названий "радіокондуктором" (когерером). У 1891-1893 роках Нікола Тесла описав основні принципи здійснення передачі сигналів на великі відстані та запатентував щоглу антену, яка була джерелом електромагнітних хвиль. Подальші заслуги у вивченні хвиль та технічної реалізації їх отримання та застосування належать таким знаменитим фізикам та винахідникам, як Попов, Марконі, де Мор, Лодж, Мірхед та багатьом іншим.

Поняття «електромагнітна хвиля»

Електромагнітна хвиля - це явище, яке поширюється у просторі з певною кінцевою швидкістю і являє собою змінне електричне та магнітне поле. Оскільки магнітні та електричні поля нерозривно пов'язані один з одним, то вони утворюють електромагнітне поле. Також можна сказати, що електромагнітна хвиля - це обурення поля, причому під час свого поширення енергія, яка є у магнітного поля, переходить в енергію електричного поля і назад, згідно електродинаміки Максвелла. Зовні це схоже на поширення будь-якої іншої хвилі в будь-якому іншому середовищі, проте є й суттєві відмінності.

Відмінність електромагнітних хвиль від інших?

Енергія електромагнітних хвиль поширюється у досить незрозумілому середовищі. Щоб порівнювати ці хвилі та будь-які інші, необхідно зрозуміти, про яке середовище поширення йде мова. Передбачається, що внутрішньоатомний простір заповнює електричний ефір - специфічне середовище, яке є абсолютним діелектриком. Усі хвилі під час поширення виявляють перехід кінетичної енергії в потенційну та назад. При цьому у цих енергій зсунуто максимум у часі та просторі щодо один одного на одну четверту повного періодухвилі. Середня енергія хвилі при цьому, будучи сумою потенційною і кінетичної енергії,є незмінною величиною. Але з електромагнітними хвилями справа інакша. Енергії та магнітного та електричного поля досягають максимальних значень одночасно.

Як з'являється електромагнітна хвиля?

Матерія електромагнітної хвилі – це електричне поле (ефір). Поле, що рухається, є структурованим і складається з енергії його руху та електричної енергії самого поля. Тому потенціальна енергіяхвилі пов'язана з кінетичною та синфазнаю. Природа електромагнітної хвилі є періодичним електричним полем, яке знаходиться в стані поступального рухуу просторі і рухається зі швидкістю світла.

Струми усунення

Є й інший спосіб пояснити, що являють собою електромагнітні хвилі. Передбачається, що в ефірі виникають струми зсуву під час руху неоднорідних електричних полів. Виникають вони, звісно, ​​лише нерухомого стороннього спостерігача. У момент, коли такий параметр, як напруженість електричного поля досягає свого максимуму, струм зміщення в даній точці простору припиниться. Відповідно, при мінімумі напруженості виходить зворотна картина. Цей підхід проясняє хвильову природу електромагнітного випромінювання, оскільки енергія поля електричного виявляється зсунутою однією четверту періоду стосовно струмів зміщення. Тоді можна сказати, що електричне збурення, а точніше енергія збурення, трансформується в енергію струму зміщення і назад і поширюється хвильовим чином діелектричному середовищі.