Undele electromagnetice și propagarea lor. Unde electromagnetice - proprietăți și caracteristici

În 1864, James Clerk Maxwell a prezis posibilitatea existenței undelor electromagnetice în spațiu. El a înaintat această afirmație pe baza concluziilor care decurg din analiza tuturor datelor experimentale cunoscute la acea vreme referitoare la electricitate și magnetism.

Maxwell a unificat matematic legile electrodinamicii, legând fenomenele electrice și magnetice și, astfel, a ajuns la concluzia că câmpurile electrice și magnetice care se modifică în timp se generează reciproc.

Inițial, el s-a concentrat pe faptul că relația dintre fenomenele magnetice și cele electrice nu este simetrică și a introdus termenul de „câmp electric vortex”, oferind o explicație cu adevărat nouă a fenomenului de inducție electromagnetică descoperit de Faraday: „fiecare schimbare a magneticului. câmpul duce la apariția spațiului înconjurător al unui câmp electric vortex având linii de forță închise.”

Potrivit lui Maxwell, afirmația opusă era și adevărată: „un câmp electric în schimbare dă naștere unui câmp magnetic în spațiul înconjurător”, dar această afirmație a rămas inițial doar o ipoteză.

Maxwell a scris un sistem de ecuații matematice care a descris în mod constant legile transformărilor reciproce ale câmpurilor magnetice și electrice, aceste ecuații au devenit mai târziu ecuațiile de bază ale electrodinamicii și au început să fie numite „ecuațiile lui Maxwell” în onoarea marelui om de știință care le-a scris; jos. Ipoteza lui Maxwell, bazată pe ecuațiile scrise, a avut câteva concluzii extrem de importante pentru știință și tehnologie, care sunt prezentate mai jos.

Undele electromagnetice chiar există

Unde electromagnetice transversale pot exista în spațiu, care se propagă în timp. Faptul că undele sunt transversale este indicat de faptul că vectorii inducției magnetice B și intensității câmpului electric E sunt reciproc perpendiculari și ambii se află într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei electromagnetice.

Viteza de propagare a undelor electromagnetice într-o substanță este finită și este determinată de proprietățile electrice și magnetice ale substanței prin care se propagă unda. Lungimea undei sinusoidale λ este legată de viteza υ printr-un anumit raport exact λ = υ / f, și depinde de frecvența f a oscilațiilor câmpului. Viteza c a unei unde electromagnetice în vid este una dintre constantele fizice fundamentale - viteza luminii în vid.

Deoarece Maxwell a afirmat că viteza de propagare a undelor electromagnetice era finită, aceasta a creat o contradicție între ipoteza lui și teoria acțiunii pe distanță lungă acceptată la acea vreme, conform căreia viteza de propagare a undelor ar trebui să fie infinită. Prin urmare, teoria lui Maxwell a fost numită teoria acțiunii cu rază scurtă de acțiune.

Într-o undă electromagnetică, transformarea câmpurilor electrice și magnetice unul în celălalt are loc simultan, prin urmare densitățile volumetrice ale energiei magnetice și ale energiei electrice sunt egale între ele. Prin urmare, este adevărat că modulele intensității câmpului electric și inducția câmpului magnetic sunt legate între ele în fiecare punct din spațiu prin următoarea relație:

O undă electromagnetică, în procesul de propagare, creează un flux de energie electromagnetică, iar dacă luăm în considerare o zonă într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei, atunci în scurt timp se va deplasa o anumită cantitate de energie electromagnetică. prin ea. Densitatea fluxului de energie electromagnetică este cantitatea de energie transferată de o undă electromagnetică prin suprafața unei unități de suprafață pe unitatea de timp. Prin înlocuirea valorilor vitezei, precum și a energiei magnetice și electrice, putem obține o expresie pentru densitatea fluxului în termeni de valorile lui E și B.

Deoarece direcția de propagare a energiei undei coincide cu direcția vitezei de propagare a undei, fluxul de energie care se propagă într-o undă electromagnetică poate fi specificat folosind un vector direcționat în același mod ca viteza de propagare a undei. Acest vector a fost numit „vectorul Poynting” - în onoarea fizicianului britanic Henry Poynting, care a dezvoltat teoria propagării fluxului de energie din câmpul electromagnetic în 1884. Densitatea fluxului de energie a valurilor este măsurată în W/mp.

Când un câmp electric acționează asupra unei substanțe, în aceasta apar curenți mici, reprezentând mișcarea ordonată a particulelor încărcate electric. Acești curenți din câmpul magnetic al unei unde electromagnetice sunt supuși acțiunii forței Ampere, care este îndreptată adânc în substanță. Forța Amperii generează în cele din urmă presiune.

Acest fenomen a fost mai târziu, în 1900, studiat și confirmat experimental de către fizicianul rus Pyotr Nikolaevici Lebedev, a cărui activitate experimentală a fost foarte importantă pentru confirmarea teoriei lui Maxwell despre electromagnetism și acceptarea și aprobarea ei în viitor.

Faptul că o undă electromagnetică exercită presiune permite să se judece că câmpul electromagnetic are un impuls mecanic, care poate fi exprimat pentru o unitate de volum prin densitatea volumetrică a energiei electromagnetice și viteza de propagare a undelor în vid:

Deoarece impulsul este asociat cu mișcarea masei, este posibil să se introducă un astfel de concept ca masă electromagnetică, iar apoi pentru o unitate de volum această relație (în conformitate cu STR) va lua caracterul unei legi universale a naturii și va să fie valabil pentru orice corpuri materiale, indiferent de forma materiei. Și câmpul electromagnetic este apoi asemănător unui corp material - are energie W, masă m, impuls p și o viteză finală de propagare v. Adică, câmpul electromagnetic este una dintre formele materiei care există de fapt în natură.

Pentru prima dată în 1888, Heinrich Hertz a confirmat experimental teoria electromagnetică a lui Maxwell. El a demonstrat experimental realitatea undelor electromagnetice și a studiat proprietățile lor, cum ar fi refracția și absorbția în diferite medii, precum și reflectarea undelor de pe suprafețele metalice.

Hertz a măsurat lungimea de undă și a arătat că viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu viteza luminii. Lucrarea experimentală a lui Hertz a fost ultimul pas către recunoașterea teoriei electromagnetice a lui Maxwell. Șapte ani mai târziu, în 1895, fizicianul rus Alexander Stepanovici Popov a folosit undele electromagnetice pentru a crea comunicații fără fir.

În circuitele de curent continuu, sarcinile se mișcă cu o viteză constantă, iar în acest caz undele electromagnetice nu sunt emise în spațiu. Pentru ca radiația să aibă loc, este necesar să se folosească o antenă în care sunt excitați curenți alternativi, adică curenți care își schimbă rapid direcția.

În forma sa cea mai simplă, un dipol electric de dimensiuni mici, al cărui moment dipol s-ar schimba rapid în timp, este potrivit pentru a emite unde electromagnetice. Tocmai acest tip de dipol este numit astăzi „dipolul Hertz”, a cărui dimensiune este de câteva ori mai mică decât lungimea de undă pe care o emite.

Când este radiat de un dipol hertzian, fluxul maxim de energie electromagnetică cade pe un plan perpendicular pe axa dipolului. Nu există nicio radiație de energie electromagnetică de-a lungul axei dipolului. În cele mai importante experimente ale lui Hertz, dipolii elementari au fost folosiți atât pentru a emite, cât și pentru a primi unde electromagnetice, iar existența undelor electromagnetice a fost dovedită.

În 1860-1865 unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului al XIX-lea James Clerk Maxwell a creat o teorie câmp electromagnetic. Potrivit lui Maxwell, fenomenul inducției electromagnetice este explicat după cum urmează. Dacă într-un anumit punct al spațiului câmpul magnetic se modifică în timp, atunci acolo se formează și un câmp electric. Dacă în câmp există un conductor închis, atunci câmpul electric provoacă un curent indus în el. Din teoria lui Maxwell rezultă că este posibil și procesul invers. Dacă într-o anumită regiune a spațiului câmpul electric se modifică în timp, atunci acolo se formează și un câmp magnetic.

Astfel, orice modificare a câmpului magnetic în timp dă naștere unui câmp electric în schimbare, iar orice modificare a câmpului electric în timp dă naștere unui câmp magnetic în schimbare. Aceste câmpuri electrice și magnetice alternative care se generează reciproc formează un singur câmp electromagnetic.

Proprietățile undelor electromagnetice

Cel mai important rezultat care decurge din teoria câmpului electromagnetic formulată de Maxwell a fost predicția posibilității existenței undelor electromagnetice. Undă electromagnetică- propagarea câmpurilor electromagnetice în spațiu și timp.

Undele electromagnetice, spre deosebire de undele elastice (sunete), se pot propaga în vid sau în orice altă substanță.

Undele electromagnetice în vid se propagă cu viteză c=299.792 km/s, adică cu viteza luminii.

În materie, viteza unei unde electromagnetice este mai mică decât în ​​vid. Relația dintre lungimea de undă, viteza acesteia, perioada și frecvența oscilațiilor obținute pentru undele mecanice este valabilă și pentru undele electromagnetice:

Fluctuațiile vectorului de tensiune Eși vector de inducție magnetică B apar în planuri reciproc perpendiculare și perpendiculare pe direcția de propagare a undei (vector viteză).

O undă electromagnetică transferă energie.

Gama undelor electromagnetice

În jurul nostru este o lume complexă de unde electromagnetice de diferite frecvențe: radiații de la monitoarele computerelor, telefoanele mobile, cuptoarele cu microunde, televizoarele etc. În prezent, toate undele electromagnetice sunt împărțite după lungimea de undă în șase game principale.

Unde radio- acestea sunt unde electromagnetice (cu o lungime de unda de la 10000 m la 0,005 m), folosite pentru a transmite semnale (informatii) pe o distanta fara fire. În comunicațiile radio, undele radio sunt create de curenții de înaltă frecvență care curg într-o antenă.

Radiația electromagnetică cu o lungime de undă de la 0,005 m până la 1 micron, adică situate între domeniul undelor radio și domeniul luminii vizibile sunt numite radiații infraroșii. Radiația infraroșie este emisă de orice corp încălzit. Sursele de radiație infraroșie sunt sobele, bateriile și lămpile electrice cu incandescență. Folosind dispozitive speciale, radiațiile infraroșii pot fi convertite în lumină vizibilă, iar imaginile obiectelor încălzite pot fi obținute în întuneric complet.

LA lumina vizibila includ radiații cu o lungime de undă de aproximativ 770 nm până la 380 nm, de la roșu la violet. Semnificația acestei părți a spectrului radiațiilor electromagnetice în viața umană este extrem de mare, deoarece o persoană primește aproape toate informațiile despre lumea din jurul său prin viziune.

Se numește radiația electromagnetică cu o lungime de undă mai scurtă decât violetul, invizibilă pentru ochi radiații ultraviolete. Poate ucide bacteriile patogene.

radiații cu raze X invizibil pentru ochi. Trece fără absorbție semnificativă prin straturi semnificative ale unei substanțe opace la lumina vizibilă, care este utilizată pentru a diagnostica boli ale organelor interne.

Radiația gamma numită radiație electromagnetică emisă de nucleele excitate și care provine din interacțiunea particulelor elementare.

Principiul comunicației radio

Un circuit oscilator este folosit ca sursă de unde electromagnetice. Pentru o radiație eficientă, circuitul este „deschis”, adică. creați condiții pentru ca câmpul să „meargă” în spațiu. Acest dispozitiv se numește circuit oscilant deschis - antenă.

Comunicare radio este transmisia de informații folosind unde electromagnetice, ale căror frecvențe sunt în intervalul de la până la Hz.

Radar (radar)

Un dispozitiv care transmite unde ultrascurte și le primește imediat. Radiația se efectuează în impulsuri scurte. Impulsurile sunt reflectate de obiecte, permițând, după primirea și procesarea semnalului, stabilirea distanței până la obiect.

Radarul de viteză funcționează pe un principiu similar. Gândiți-vă la modul în care radarul detectează viteza unei mașini în mișcare.

M. Faraday a introdus conceptul de câmp:

un câmp electrostatic apare în jurul unei sarcini staționare,

Un câmp magnetic apare în jurul sarcinilor în mișcare (curent).

În 1830, M. Faraday a descoperit fenomenul inducției electromagnetice: atunci când câmpul magnetic se modifică, apare un câmp electric vortex.

Figura 2.7 - Câmp electric vortex

Unde,
- vectorul intensității câmpului electric,
- vector de inducție magnetică.

Un câmp magnetic alternativ creează un câmp electric vortex.

În 1862 D.K. Maxwell a prezentat o ipoteză: atunci când câmpul electric se modifică, apare un câmp magnetic vortex.

A apărut ideea unui singur câmp electromagnetic.

Figura 2.8 - Câmp electromagnetic unificat.

Un câmp electric alternativ creează un câmp magnetic vortex.

Câmp electromagnetic- aceasta este o formă specială de materie - o combinație de câmpuri electrice și magnetice. Câmpurile electrice și magnetice alternative există simultan și formează un singur câmp electromagnetic. Este material:

Se manifestă în acțiune atât asupra sarcinilor staționare, cât și în mișcare;

Se răspândește la o viteză mare, dar finită;

Ea există indiferent de voința și dorințele noastre.

Când viteza de încărcare este zero, există doar un câmp electric. La o viteză de încărcare constantă, apare un câmp electromagnetic.

Odată cu mișcarea accelerată a unei sarcini, este emisă o undă electromagnetică, care se propagă în spațiu cu o viteză finită .

Dezvoltarea ideii undelor electromagnetice îi aparține lui Maxwell, dar Faraday deja a ghicit despre existența lor, deși îi era frică să publice lucrarea (a fost citită la mai bine de 100 de ani de la moartea sa).

Condiția principală pentru apariția unei unde electromagnetice este mișcarea accelerată a sarcinilor electrice.

Ce este o undă electromagnetică poate fi ilustrat cu ușurință folosind următorul exemplu. Dacă aruncați o pietricică pe suprafața apei, la suprafață se vor forma valuri, răspândindu-se în cercuri. Se deplasează de la sursa originii lor (perturbare) cu o anumită viteză de propagare. Pentru undele electromagnetice, perturbațiile sunt câmpuri electrice și magnetice care se mișcă în spațiu. Un câmp electromagnetic care se modifică în timp determină în mod necesar apariția unui câmp magnetic alternant și invers. Aceste domenii sunt reciproc legate.

Sursa principală a spectrului undelor electromagnetice este steaua Soarelui. O parte din spectrul undelor electromagnetice este vizibilă pentru ochiul uman. Acest spectru se află în intervalul 380...780 nm (Fig. 2.1). În spectrul vizibil, ochiul simte lumina diferit. Vibrațiile electromagnetice cu lungimi de undă diferite provoacă senzația de lumină cu culori diferite.

Figura 2.9 - Spectrul undelor electromagnetice

O parte din spectrul undelor electromagnetice este utilizată în scopuri de radioteleviziune și comunicații. Sursa undelor electromagnetice este un fir (antenă) în care oscilează sarcinile electrice. Procesul de formare a câmpului, care a început în apropierea firului, treptat, punct cu punct, acoperă întreg spațiul. Cu cât este mai mare frecvența curentului alternativ care trece prin fir și generează un câmp electric sau magnetic, cu atât undele radio de o anumită lungime create de fir sunt mai intense.

Radio(lat. radio - radiază, emit raze ← rază - rază) - un tip de comunicare fără fir în care undele radio, care se propagă liber în spațiu, sunt folosite ca purtător de semnal.

Unde radio(de la radio...), unde electromagnetice cu lungime de undă > 500 µm (frecvență< 6×10 12 Гц).

Undele radio sunt câmpuri electrice și magnetice care variază în timp. Viteza de propagare a undelor radio în spațiul liber este de 300.000 km/s. Din aceasta, se poate determina lungimea de undă radio (m).

λ=300/f, undef - frecvență (MHz)

Vibrațiile sonore din aer create în timpul unei convorbiri telefonice sunt convertite de un microfon în vibrații electrice de frecvență sonoră, care sunt transmise prin fire către echipamentul abonatului. Acolo, la celălalt capăt al liniei, ele sunt convertite, cu ajutorul emițătorului telefonic, în vibrații ale aerului, percepute de abonat ca sunete. În telefonie, mijloacele de comunicare ale circuitului sunt firele, în radiodifuziune - unde radio.

„Inima” emițătorului oricărei stații de radio este un generator - un dispozitiv care produce oscilații cu o frecvență ridicată, dar strict constantă pentru un anumit post de radio. Aceste oscilații de radiofrecvență, amplificate la puterea necesară, intră în antenă și excită oscilații electromagnetice de exact aceeași frecvență - unde radio - în spațiul care o înconjoară. Viteza undelor radio care se îndepărtează de antena unei stații radio este egală cu viteza luminii: 300.000 km/s, care este de aproape un milion de ori mai rapidă decât propagarea sunetului în aer. Aceasta înseamnă că, dacă transmițătorul a fost pornit la un anumit moment în timp la postul de radiodifuziune din Moscova, atunci undele sale radio vor ajunge la Vladivostok în mai puțin de 1/30 s, iar sunetul în acest timp va avea timp să se răspândească doar 10- 11 m.

Undele radio se propagă nu numai în aer, ci și acolo unde nu există aer, de exemplu, în spațiul cosmic. Acest lucru le diferențiază de undele sonore, care necesită absolut aer sau un alt mediu dens, cum ar fi apa.

Undă electromagnetică – câmp electromagnetic care se propagă în spațiu (oscilații ale vectorilor
). În apropierea sarcinii, câmpurile electrice și magnetice se modifică cu o defazare p/2.

Figura 2.10 - Câmp electromagnetic unificat.

La o distanță mare de sarcină, câmpurile electrice și magnetice se schimbă în fază.

Figura 2.11 - Schimbarea în fază a câmpurilor electrice și magnetice.

Unda electromagnetică este transversală. Direcția vitezei undei electromagnetice coincide cu direcția de mișcare a șurubului drept atunci când se rotește mânerul brațului vectorial a vector .

Figura 2.12 - Unda electromagnetica.

Mai mult, într-o undă electromagnetică relația este satisfăcută
, unde c este viteza luminii în vid.

Maxwell a calculat teoretic energia și viteza undelor electromagnetice.

Astfel, energia undelor este direct proporțională cu a patra putere a frecvenței. Aceasta înseamnă că pentru a detecta mai ușor o undă, aceasta trebuie să fie de înaltă frecvență.

Undele electromagnetice au fost descoperite de G. Hertz (1887).

Un circuit oscilator închis nu emite unde electromagnetice: toată energia câmpului electric al condensatorului este convertită în energia câmpului magnetic al bobinei. Frecvența de oscilație este determinată de parametrii circuitului oscilator:
.

Figura 2.13 - Circuit oscilator.

Pentru a crește frecvența, este necesar să se reducă L și C, adică. desface bobina la un fir drept și, pentru că
, reduceți aria plăcilor și depărtați-le la distanța maximă. Din aceasta putem vedea că vom avea în esență un conductor drept.

Un astfel de dispozitiv se numește vibrator Hertz. Mijlocul este tăiat și conectat la un transformator de înaltă frecvență. Între capetele firelor pe care sunt fixate mici conductoare cu bile, sare o scânteie electrică, care este sursa undei electromagnetice. Unda se propagă astfel încât vectorul intensității câmpului electric oscilează în planul în care se află conductorul.

Figura 2.14 - Vibrator Hertz.

Dacă plasați același conductor (antenă) paralel cu emițătorul, atunci sarcinile din acesta vor începe să oscileze și scântei slabe vor sări între conductori.

Hertz a descoperit undele electromagnetice experimental și le-a măsurat viteza, care a coincis cu cea calculată de Maxwell și egală cu c = 3. 108 m/s.

Un câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ, care, la rândul său, generează un câmp electric alternativ, adică o antenă care excită unul dintre câmpuri determină apariția unui singur câmp electromagnetic. Cea mai importantă proprietate a acestui câmp este că se propagă sub formă de unde electromagnetice.

Viteza de propagare a undelor electromagnetice într-un mediu fără pierderi depinde de permeabilitatea dielectrică și magnetică relativă a mediului. Pentru aer, permeabilitatea magnetică a mediului este egală cu unitatea, prin urmare, viteza de propagare a undelor electromagnetice în acest caz este egală cu viteza luminii.

Antena poate fi un fir vertical alimentat de un generator de înaltă frecvență. Generatorul cheltuiește energie pentru a accelera mișcarea electronilor liberi în conductor, iar această energie este convertită într-un câmp electromagnetic alternant, adică unde electromagnetice. Cu cât frecvența curentului generatorului este mai mare, cu atât câmpul electromagnetic se schimbă mai rapid și vindecarea undelor este mai intensă.

Cu firul antenei sunt asociate atât un câmp electric, ale cărui linii de forță încep cu sarcini pozitive și se termină pe sarcini negative, cât și un câmp magnetic, ale cărui linii se închid în jurul curentului firului. Cu cât perioada de oscilație este mai scurtă, cu atât mai puțin timp rămâne pentru ca energia câmpurilor legate să revină la fir (adică la generator) și cu atât se transformă mai mult în câmpuri libere, care se propagă în continuare sub formă de unde electromagnetice. Radiația eficientă a undelor electromagnetice are loc cu condiția ca lungimea de undă și lungimea firului emițător să fie proporționale.

Astfel, se poate stabili că unde radio- acesta este un câmp electromagnetic care nu este asociat cu emițătorul și dispozitivele de formare a canalelor, care se propagă liber în spațiu sub forma unei unde cu o frecvență de oscilație de la 10 -3 la 10 12 Hz.

Oscilațiile electronilor din antenă sunt create de o sursă de FEM care variază periodic cu o perioadă T. Dacă la un moment dat câmpul de la antenă a avut o valoare maximă, atunci va avea aceeași valoare după un timp T. În acest timp, câmpul electromagnetic care a existat inițial la antenă se va deplasa la o distanță

λ = υТ (1)

Se numește distanța minimă dintre două puncte din spațiu la care câmpul are aceeași valoare lungime de undă. După cum rezultă din (1), lungimea de undă λ depinde de viteza de propagare a acestuia și de perioada de oscilație a electronilor din antenă. Deoarece frecvenţă actual f = 1/T, apoi lungimea de undă λ = υ / f .

Legătura radio include următoarele părți principale:

Transmiţător

Receptor

Mediul în care se propagă undele radio.

Emițătorul și receptorul sunt elemente controlabile ale unei legături radio, deoarece puteți crește puterea transmițătorului, puteți conecta o antenă mai eficientă și puteți crește sensibilitatea receptorului. Mediul este un element necontrolat al legăturii radio.

Diferența dintre o linie de comunicație radio și liniile cu fir este că în liniile cu fir, firele sau cablurile, care sunt elemente controlabile (le puteți modifica parametrii electrici), sunt folosite ca legătură de legătură.

De fiecare dată când un curent electric își schimbă frecvența sau direcția, el generează unde electromagnetice - oscilații ale câmpurilor de forță electrice și magnetice în spațiu. Un exemplu este schimbarea curentului în antena unui transmițător radio, care creează inele de unde radio care se propagă în spațiu.

Energia unei unde electromagnetice depinde de lungimea acesteia - distanța dintre două „vârfuri” adiacente. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât energia este mai mare. În ordinea descrescătoare a lungimii lor, undele electromagnetice sunt împărțite în unde radio, radiații infraroșii, lumină vizibilă, ultraviolete, raze X și radiații gamma. Lungimea de undă a radiațiilor gamma nu atinge nici măcar o sută de miliarde de metru, în timp ce undele radio pot avea o lungime măsurată în kilometri.

Unde electromagnetice se propagă în spațiu cu viteza luminii, iar liniile de forță ale câmpurilor lor electrice și magnetice sunt situate în unghi drept unul față de celălalt și cu direcția de mișcare a undei.

Unde electromagnetice radiază în cercuri care se lărgesc treptat de la antena de transmisie a unui post de radio cu două sensuri, similar cu felul în care o fac undele când o pietricică cade într-un iaz. Curentul electric alternativ din antenă creează unde constând din câmpuri electrice și magnetice.

Circuitul undelor electromagnetice

O undă electromagnetică se deplasează în linie dreaptă, iar câmpurile sale electrice și magnetice sunt perpendiculare pe fluxul de energie.

Refracția undelor electromagnetice

La fel ca lumina, toate undele electromagnetice sunt refractate atunci când intră în materie sub orice unghi, altul decât unghiurile drepte.

Reflexia undelor electromagnetice

Dacă undele electromagnetice cad pe o suprafață parabolică metalică, ele sunt focalizate într-un punct.

Creșterea undelor electromagnetice

modelul fals al undelor electromagnetice emanate de la o antenă de transmisie provine dintr-o singură oscilație a curentului electric. Când curentul curge în sus pe antenă, câmpul electric (liniile roșii) este direcționat de sus în jos, iar câmpul magnetic (liniile verzi) este direcționat în sens invers acelor de ceasornic. Dacă curentul își schimbă direcția, același lucru se întâmplă și cu câmpurile electrice și magnetice.

Unde electromagnetice este procesul de propagare a unui câmp electromagnetic alternativ în spațiu. Teoretic, existența undelor electromagnetice a fost prezisă de omul de știință englez Maxwell în 1865 și au fost obținute pentru prima dată experimental de omul de știință german Hertz în 1888.

Din teoria lui Maxwell urmează formule care descriu oscilațiile vectorilor și. Undă electromagnetică monocromatică plană care se propagă de-a lungul axei x, este descris de ecuații

Aici EŞi H- valori instantanee, și E m și H m - valorile amplitudinii intensității câmpului electric și magnetic, ω - frecventa circulara, k- numărul valului. Vectorii și oscilează cu aceeași frecvență și fază, sunt reciproc perpendiculari și, în plus, perpendiculari pe vector - viteza de propagare a undei (Fig. 3.7). Adică undele electromagnetice sunt transversale.

În vid, undele electromagnetice se deplasează cu viteză. Într-un mediu cu constantă dielectrică ε și permeabilitatea magnetică µ viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu:

Frecvența oscilațiilor electromagnetice, precum și lungimea de undă, pot fi, în principiu, orice. Clasificarea undelor după frecvență (sau lungime de undă) se numește scara undelor electromagnetice. Undele electromagnetice sunt împărțite în mai multe tipuri.

Unde radio au o lungime de undă de la 10 3 la 10 -4 m.

Unde luminoase include:

radiații cu raze X - .

Undele luminoase sunt unde electromagnetice care includ părțile infraroșu, vizibile și ultraviolete ale spectrului. Lungimile de undă ale luminii în vid corespunzătoare culorilor primare ale spectrului vizibil sunt prezentate în tabelul de mai jos. Lungimea de undă este dată în nanometri.

Masă

Undele luminoase au aceleași proprietăți ca undele electromagnetice.

1. Undele luminoase sunt transversale.

2. Vectorii și oscilează într-o undă luminoasă.

Experiența arată că toate tipurile de influențe (fiziologice, fotochimice, fotoelectrice etc.) sunt cauzate de oscilațiile vectorului electric. Îl sună vector luminos .

Amplitudinea vectorului luminos E m este adesea notat cu litera O iar în loc de ecuația (3.30), se folosește ecuația (3.24).

3. Viteza luminii în vid.

Viteza unei unde luminii într-un mediu este determinată de formula (3.29). Dar pentru medii transparente (sticlă, apă) este obișnuit.

Pentru undele luminoase se introduce conceptul de indice absolut de refracție.

Indicele de refracție absolut este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii într-un mediu dat

Din (3.29), ținând cont de faptul că pentru mediile transparente, putem scrie egalitatea.

Pentru vid ε = 1 și n= 1. Pentru orice mediu fizic n> 1. De exemplu, pentru apă n= 1,33, pentru sticlă. Un mediu cu un indice de refracție mai mare se numește mai dens optic. Raportul indicilor absoluti de refracție se numește indice relativ de refracție:

4. Frecvența undelor luminoase este foarte mare. De exemplu, pentru lumina roșie cu lungime de undă.

Când lumina trece dintr-un mediu în altul, frecvența luminii nu se schimbă, dar viteza și lungimea de undă se schimbă.

Pentru vid - ; pentru mediu - , atunci

Prin urmare, lungimea de undă a luminii în mediu este egală cu raportul dintre lungimea de undă a luminii în vid și indicele de refracție

5. Pentru că frecvența undelor luminoase este foarte mare , atunci ochiul observatorului nu distinge vibrațiile individuale, ci percepe fluxurile medii de energie. Aceasta introduce conceptul de intensitate.

Intensitate este raportul dintre energia medie transferată de val la perioada de timp și aria locului perpendicular pe direcția de propagare a undei:

Deoarece energia undei este proporțională cu pătratul amplitudinii (vezi formula (3.25)), intensitatea este proporțională cu valoarea medie a pătratului amplitudinii

Caracteristica intensității luminii, ținând cont de capacitatea sa de a provoca senzații vizuale, este flux luminos - F .

6. Natura ondulatorie a luminii se manifestă, de exemplu, în fenomene precum interferența și difracția.