Alapvető tudnivalók az elektromágneses hullámokról. Az elektromágneses hullámok hatása az emberi egészségre

J. Maxwell 1864-ben megalkotta az elektromágneses tér elméletét, amely szerint az elektromos és mágneses mezők egyetlen egésznek – az elektromágneses mezőnek – egymással összefüggő összetevőiként léteznek. Egy olyan térben, ahol váltakozó mágneses tér létezik, váltakozó elektromos mezőt gerjesztenek, és fordítva.

Elektromágneses mező- az egyik anyagtípus, amelyet folyamatos kölcsönös átalakulással összekapcsolt elektromos és mágneses mezők jelenléte jellemez.

Az elektromágneses tér elektromágneses hullámok formájában terjed a térben. Feszültségvektor-ingadozások Eés mágneses indukciós vektor B egymásra merőleges síkban és a hullámterjedés irányára merőlegesen fordulnak elő (sebességvektor).

Ezeket a hullámokat oszcilláló töltött részecskék bocsátják ki, amelyek ugyanakkor gyorsulással mozognak egy vezetőben. Amikor egy töltés elmozdul egy vezetőben, váltakozó elektromos tér jön létre, amely váltakozó mágneses teret hoz létre, ez pedig a töltéstől nagyobb távolságban váltakozó elektromos tér megjelenését idézi elő, stb.

A térben időben terjedő elektromágneses mezőt nevezzük elektromágneses hullám.

Az elektromágneses hullámok terjedhetnek vákuumban vagy bármilyen más anyagban. Az elektromágneses hullámok vákuumban fénysebességgel terjednek c=3·10 8 m/s. Anyagban az elektromágneses hullám sebessége kisebb, mint a vákuumban. Az elektromágneses hullám energiát ad át.

Az elektromágneses hullám a következő alapvető tulajdonságokkal rendelkezik: egyenes vonalúan terjed, törésre, visszaverődésre képes, benne rejlik a diffrakció, interferencia, polarizáció jelensége. Mindezek a tulajdonságok fényhullámok, amely az elektromágneses sugárzás skáláján a megfelelő hullámhossz-tartományt foglalja el.

Tudjuk, hogy az elektromágneses hullámok hossza nagyon eltérő lehet. A különböző sugárzások hullámhosszát és frekvenciáját jelző elektromágneses hullámok skáláját tekintve 7 tartományt különböztetünk meg: alacsony frekvenciájú sugárzás, rádiósugárzás, infravörös sugarak, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgen- és gamma-sugárzás.

• Alacsony frekvenciájú hullámok . Sugárforrások: nagyfrekvenciás áramok, váltóáramú generátor, elektromos gépek. Fémek olvasztására és edzésére, állandó mágnesek előállítására, valamint az elektromos iparban használják.
• Rádióhullámok rádió- és televízióállomások, mobiltelefonok, radarok stb. antennáiban fordulnak elő. Rádiókommunikációban, televízióban és radarban használják.
• Infravörös hullámok Minden felhevült test sugárzik. Alkalmazás: tűzálló fémek olvasztása, vágása, hegesztése lézerrel, fényképezés ködben és sötétben, fa, gyümölcsök és bogyók szárítása, éjjellátó készülékek.
• Látható sugárzás. Források - Nap, elektromos és fénycső, elektromos ív, lézer. Alkalmazható: világítás, fotóeffektus, holográfia.
• Ultraibolya sugárzás . Források: Nap, űr, gázkisüléses (kvarc) lámpa, lézer. Elpusztíthatja a patogén baktériumokat. Élő szervezetek keményítésére használják.
• Röntgensugárzás .

), az elektromágneses teret leíró elméletileg kimutatta, hogy az elektromágneses tér vákuumban létezhet források – töltések és áramok – hiányában. A források nélküli mező véges sebességgel terjedő hullámok alakja, amely vákuumban egyenlő a fénysebességgel: Val vel= 299792458±1,2 m/s. Az elektromágneses hullámok vákuumban terjedési sebességének egybeesése a korábban mért fénysebességgel lehetővé tette Maxwellnek, hogy arra a következtetésre jutott, hogy a fény elektromágneses hullám. Hasonló következtetés képezte később a fény elektromágneses elméletének alapját.

1888-ban az elektromágneses hullámok elmélete kísérleti megerősítést kapott G. Hertz kísérletei során. Egy nagyfeszültségű forrás és vibrátorok (lásd Hertz vibrátor) segítségével a Hertz finom kísérleteket tudott végrehajtani egy elektromágneses hullám terjedési sebességének és hosszának meghatározására. Kísérletileg igazolták, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével, ami igazolta a fény elektromágneses természetét.

1864-ben James Clerk Maxwell megjósolta az űrben létező elektromágneses hullámok lehetőségét. Ezt az állítást az elektromosságra és a mágnesességre vonatkozó összes akkoriban ismert kísérleti adat elemzéséből származó következtetésekre alapozva terjesztette elő.

Maxwell matematikailag egyesítette az elektrodinamika törvényeit, összekapcsolva az elektromos és mágneses jelenségeket, és így arra a következtetésre jutott, hogy az időben változó elektromos és mágneses mezők generálják egymást.

Kezdetben arra összpontosított, hogy a mágneses és az elektromos jelenségek közötti kapcsolat nem szimmetrikus, és bevezette az „örvény elektromos tér” kifejezést, amely valóban újszerű magyarázatot kínál a Faraday által felfedezett elektromágneses indukció jelenségére: „a mágneses változása A mező a környező térben zárt erővonalakkal rendelkező örvény elektromos mező megjelenéséhez vezet.”

Maxwell szerint az ellenkező állítás is igaz volt: „a változó elektromos tér mágneses teret hoz létre a környező térben”, de ez az állítás kezdetben csak hipotézis maradt.

Maxwell felírt egy matematikai egyenletrendszert, amely következetesen írta le a mágneses és elektromos mezők kölcsönös átalakulásának törvényeit, ezek az egyenletek később az elektrodinamika alapegyenleteivé váltak, és „Maxwell-egyenleteknek” nevezték el őket a nagy tudós tiszteletére; le. Maxwell hipotézise az írott egyenletek alapján számos, a tudomány és a technológia számára rendkívül fontos következtetést tartalmazott, amelyeket az alábbiakban közölünk.

Az elektromágneses hullámok valóban léteznek

Keresztirányú elektromágneses hullámok létezhetnek a térben, amelyek idővel terjednek. A hullámok keresztirányú jellegét jelzi, hogy a B mágneses indukció és az E elektromos térerősség vektorai egymásra merőlegesek, és mindkettő az elektromágneses hullám terjedési irányára merőleges síkban fekszik.

Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége egy anyagban véges, és annak az anyagnak az elektromos és mágneses tulajdonságaitól függ, amelyen a hullám terjed. A λ szinuszos hullám hossza egy bizonyos λ = υ / f pontos aránnyal van összefüggésben a υ sebességgel, és függ a térrezgések f frekvenciájától. Az elektromágneses hullám c sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó - a fény sebessége vákuumban.

Mivel Maxwell kijelentette, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége véges, ez ellentmondást teremtett hipotézise és a nagy hatótávolságú hatás akkoriban elfogadott elmélete között, amely szerint a hullámok terjedési sebességének végtelennek kell lennie. Maxwell elméletét ezért a rövid távú cselekvés elméletének nevezték.

Az elektromágneses hullámban az elektromos és a mágneses mező egymásba való átalakulása egyszerre megy végbe, ezért a mágneses energia és az elektromos energia térfogatsűrűsége megegyezik egymással. Ezért igaz az az állítás, hogy az elektromos térerősség és a mágneses tér indukció moduljai a tér minden pontjában a következő összefüggésben állnak egymással:

Az elektromágneses hullám terjedése során elektromágneses energia áramlást hoz létre, és ha a hullám terjedési irányára merőleges síkban lévő területet tekintünk, akkor rövid időn belül bizonyos mennyiségű elektromágneses energia elmozdul. azon keresztül. Az elektromágneses energia fluxussűrűsége az elektromágneses hullám által egységnyi terület felületén egységnyi idő alatt átvitt energia mennyisége. A sebesség, valamint a mágneses és elektromos energia értékeinek helyettesítésével megkaphatjuk a fluxussűrűség kifejezését E és B értékeivel.

Mivel a hullámenergia terjedési iránya egybeesik a hullámterjedés sebességének irányával, az elektromágneses hullámban terjedő energia áramlását a hullámterjedés sebességével megegyező irányú vektorral lehet megadni. Ezt a vektort „Poynting-vektornak” nevezték el - Henry Poynting brit fizikus tiszteletére, aki 1884-ben kidolgozta az elektromágneses mező energiaáramlásának terjedésének elméletét. A hullámenergia fluxussűrűségét W/nm-ben mérik.

Amikor elektromos tér hat egy anyagra, kis áramok jelennek meg benne, ami az elektromosan töltött részecskék rendezett mozgását jelenti. Ezek az áramok az elektromágneses hullám mágneses mezőjében az Amper-erő hatásának vannak kitéve, amely mélyen az anyagba irányul. Az Amper-erő végső soron nyomást generál.

Ezt a jelenséget később, 1900-ban tanulmányozta és kísérletileg megerősítette Pjotr ​​Nyikolajevics Lebegyev orosz fizikus, akinek kísérleti munkája nagyon fontos volt Maxwell elektromágnesesség-elméletének megerősítéséhez, valamint annak elfogadásához és jóváhagyásához a jövőben.

Az a tény, hogy egy elektromágneses hullám nyomást fejt ki, lehetővé teszi annak megítélését, hogy az elektromágneses térnek mechanikai impulzusa van, amely egységnyi térfogatra az elektromágneses energia térfogatsűrűségével és a vákuumban történő hullámterjedés sebességével fejezhető ki:

Mivel az impulzus a tömeg mozgásához kapcsolódik, be lehet vezetni egy olyan fogalmat, mint az elektromágneses tömeg, majd egységnyi térfogat esetén ez a kapcsolat (az SRT-nek megfelelően) egyetemes természettörvény jellegét veszi fel, és minden anyagi testre érvényes legyen, az anyag formájától függetlenül. És az elektromágneses tér ilyenkor rokon egy anyagi testtel – van W energiája, tömege m, impulzusa p és terjedési sebessége v. Vagyis az elektromágneses tér a természetben ténylegesen létező anyagformák egyike.

Először 1888-ban Heinrich Hertz kísérletileg megerősítette Maxwell elektromágneses elméletét. Kísérletileg bebizonyította az elektromágneses hullámok valóságát, és olyan tulajdonságaikat tanulmányozta, mint a fénytörés és abszorpció különböző közegekben, valamint a hullámok fémfelületekről való visszaverődése.

Hertz megmérte a hullámhosszt, és kimutatta, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével. Hertz kísérleti munkája volt az utolsó lépés Maxwell elektromágneses elméletének elismerése felé. Hét évvel később, 1895-ben Alekszandr Sztepanovics Popov orosz fizikus elektromágneses hullámokat használt a vezeték nélküli kommunikáció létrehozására.

Az egyenáramú áramkörökben a töltések állandó sebességgel mozognak, és ilyenkor nem bocsátanak ki elektromágneses hullámokat a térbe. A sugárzás létrejöttéhez olyan antennát kell használni, amelyben váltakozó áramokat gerjesztenek, vagyis olyan áramokat, amelyek gyorsan változtatják irányukat.

A legegyszerűbb formájában elektromágneses hullámok kibocsátására alkalmas egy kis méretű elektromos dipólus, amelynek dipólusmomentuma az időben gyorsan változna. Ezt a fajta dipólust nevezik ma „Hertz-dipólnak”, amelynek mérete többszöröse az általa kibocsátott hullámhossznak.

A Hertzi-dipólus által kisugárzott elektromágneses energia maximális áramlása a dipólustengelyre merőleges síkra esik. A dipólus tengelye mentén nincs elektromágneses energia sugárzás. Hertz legfontosabb kísérleteiben elemi dipólusokat használtak elektromágneses hullámok kibocsátására és fogadására is, és bebizonyosodott az elektromágneses hullámok létezése.

Kevesen tudják, hogy az elektromágneses természetű sugárzás az egész Univerzumot áthatja. Az elektromágneses hullámok akkor keletkeznek, amikor az űrben terjednek. A hullámok rezgési frekvenciájától függően feltételesen felosztják látható fényre, rádiófrekvenciás spektrumra, infravörös tartományokra stb. Az elektromágneses hullámok gyakorlati létezését 1880-ban kísérletileg bizonyította G. Hertz német tudós (egyébként a a gyakoriság mértékegysége róla nevezték el).

Egy fizika tantárgyból tudjuk, hogy mi az anyag különleges fajtája. Annak ellenére, hogy látással csak egy kis része látható, óriási hatása van az anyagi világra. Az elektromágneses hullámok a mágneses és elektromos térerősség kölcsönható vektorainak egymás utáni terjedése a térben. A „terjedés” szó azonban ebben az esetben nem teljesen helytálló: sokkal inkább a tér hullámszerű zavaráról beszélünk. Az elektromágneses hullámok generálásának oka egy elektromos mező megjelenése a térben, amely idővel változik. És, mint tudod, közvetlen kapcsolat van az elektromos és a mágneses mezők között. Elég emlékezni arra a szabályra, amely szerint bármely áramvezető vezeték körül mágneses tér van. Az elektromágneses hullámok által érintett részecske oszcillálni kezd, és mivel mozgás van, ez azt jelenti, hogy energiasugárzás van. Az elektromos tér átkerül egy szomszédos, nyugalmi állapotban lévő részecskére, aminek eredményeként ismét elektromos jellegű mező keletkezik. És mivel a mezők összekapcsolódnak, a mágneses mező jelenik meg ezután. A folyamat lavinaként terjed. Ebben az esetben nincs valódi mozgás, csak a részecskék rezgései.

A fizikusok régóta gondolkodnak ennek gyakorlati felhasználásának lehetőségén. A modern világban az elektromágneses hullámok energiáját olyan széles körben használják, hogy sokan észre sem veszik, természetesnek veszik. Kirívó példa erre a rádióhullámok, amelyek nélkül a televíziók és a mobiltelefonok működése lehetetlen lenne.

A folyamat a következőképpen megy végbe: egy speciális alakú fémvezetőre folyamatosan egy modulált fémvezetőt (antennát) adnak át. az elektromágneses hullámok. Mivel moduláltak, egy bizonyos sorrendű, kódolt információt hordoznak. A szükséges frekvenciák fogásához speciális kialakítású vevőantennát szerelnek fel a vevőre. Lehetővé teszi a szükséges frekvenciák kiválasztását az általános elektromágneses háttérből. A fém vevőre kerülve a hullámok részben az eredeti moduláció elektromos áramává alakulnak. Ezután az erősítő egységhez mennek, és irányítják az eszköz működését (mozgatják a hangszóró diffúzort, forgatják az elektródákat a TV képernyőjén).

Az elektromágneses hullámokból keletkező áram jól látható. Ehhez elegendő, ha az antennától a vevőig futó kábel csupasz magja megérinti a közös tömeget (fűtőradiátor). Ebben a pillanatban egy szikra ugrik a talaj és a mag között - ez a megnyilvánulása Az antenna által generált áram annál nagyobb, minél közelebb van az antenna konfigurációja.

Az elektromágneses hullámok másik megnyilvánulása, amellyel sokan találkoznak a mindennapi életben, a mikrohullámú sütő használata. Forgó térerősségvonalak keresztezik a tárgyat, és energiájuk egy részét átadják, felmelegítve azt.

A hullámfolyamatok számos mintázata univerzális természetű, és egyformán érvényes a különböző természetű hullámokra: mechanikai hullámok rugalmas közegben, hullámok víz felszínén, kifeszített húrban stb. Az elektromágneses hullámok, amelyek a hullámok terjedésének folyamata Az elektromágneses mező rezgései sem kivételek. De eltérően más típusú hullámoktól, amelyek terjedése valamilyen anyagi közegben történik, az elektromágneses hullámok terjedhetnek az ürességben: az elektromos és mágneses mezők terjedéséhez nincs szükség anyagi közegre. Az elektromágneses hullámok azonban nemcsak vákuumban létezhetnek, hanem anyagban is.

Az elektromágneses hullámok előrejelzése. Az elektromágneses hullámok létezését Maxwell elméletileg az elektromágneses teret leíró javasolt egyenletrendszerének elemzése eredményeként jósolta meg. Maxwell kimutatta, hogy vákuumban elektromágneses mező létezhet források - töltések és áramok - hiányában. A források nélküli mezőnek véges, cm/s sebességgel terjedő hullámformája van, amelyben az elektromos és mágneses mező vektorai minden időpillanatban a tér minden pontjában merőlegesek egymásra és merőlegesek a tér irányára. a hullámok terjedése.

Az elektromágneses hullámokat kísérleti úton fedezte fel és tanulmányozta a Hertz, csak 10 évvel Maxwell halála után.

Nyissa ki a vibrátort. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehet kísérleti úton elektromágneses hullámokat nyerni, vegyünk egy „nyitott” oszcillációs áramkört, amelyben a kondenzátor lemezei el vannak távolítva (176. ábra), és ezért az elektromos mező nagy teret foglal el. A lemezek közötti távolság növekedésével a kondenzátor C kapacitása csökken, és a Thomson-képletnek megfelelően a természetes rezgések gyakorisága nő. Ha az induktivitást is kicseréljük egy drótdarabra, akkor az induktivitás csökken, a természetes rezgések frekvenciája pedig még tovább nő. Ebben az esetben nemcsak az elektromos, hanem a mágneses tér is, amely korábban a tekercs belsejében volt, most egy nagy területet fog elfoglalni, amely ezt a vezetéket lefedi.

Az áramkör oszcillációs frekvenciájának növekedése, valamint lineáris méreteinek növekedése azt a tényt eredményezi, hogy a természetes periódus

Az oszcilláció összehasonlíthatóvá válik az elektromágneses tér terjedésének idejével a teljes áramkörben. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen nyitott áramkörben a természetes elektromágneses rezgések folyamatai már nem tekinthetők kvázi-stacionáriusnak.

Rizs. 176. Áttérés rezgőkörről nyitott vibrátorra

Az áram erőssége különböző helyeken egyidejűleg eltérő: az áramkör végein mindig nulla, középen (ahol korábban a tekercs volt) pedig maximális amplitúdóval rezeg.

Abban a határesetben, amikor az oszcilláló áramkör egyszerűen egy darab egyenes huzallá alakult, az áramkör egy adott időpontban történő eloszlását a 1. ábra mutatja. 177a. Abban a pillanatban, amikor egy ilyen vibrátorban az áramerősség maximális, a körülvevő mágneses tér is eléri a maximumot, és a vibrátor közelében nincs elektromos tér. A periódus negyede után az áramerősség nullára megy, és ezzel együtt a mágneses tér is a vibrátor közelében; Az elektromos töltések a vibrátor végei közelében koncentrálódnak, és eloszlásuk az ábrán látható formában van. 1776. Az elektromos tér a vibrátor közelében ebben a pillanatban maximális.

Rizs. 177. Az áram eloszlása ​​nyitott vibrátor mentén abban a pillanatban, amikor az maximális (a), és a töltések eloszlása ​​az időszak negyede után (b)

Ezek a töltés- és áramoszcillációk, vagyis a nyitott vibrátorban fellépő elektromágneses rezgések meglehetősen hasonlítanak azokhoz a mechanikai rezgésekhez, amelyek az oszcillátorrugóban léphetnek fel, ha a hozzá kapcsolódó hatalmas testet eltávolítják. Ebben az esetben figyelembe kell venni a rugó egyes részeinek tömegét, és elosztott rendszernek kell tekinteni, amelyben minden elem rugalmas és inert tulajdonságokkal rendelkezik. Nyitott elektromágneses vibrátor esetén minden elemnek egyszerre van induktivitása és kapacitása is.

A vibrátor elektromos és mágneses mezői. A nyitott vibrátor rezgésének nem kvázi-stacionárius jellege ahhoz vezet, hogy az egyes szakaszok által a vibrátortól bizonyos távolságban létrehozott mezők már nem kompenzálják egymást, mint a „zárt” oszcillációs áramkör esetében. csomósított paraméterek, ahol az oszcillációk kvázi-stacionáriusak, az elektromos tér teljes egészében a kondenzátor belsejében koncentrálódik, a mágneses pedig a tekercsben van. Az elektromos és mágneses mezők e térbeli szétválása miatt nem kapcsolódnak közvetlenül egymáshoz: kölcsönös átalakulásuk csak az áramnak - az áramkör mentén történő töltésátvitelnek - köszönhető.

Nyitott vibrátorban, ahol az elektromos és a mágneses mező átfedi egymást a térben, kölcsönös hatásuk következik be: a változó mágneses tér örvényvillamos teret, a változó elektromos tér pedig mágneses teret hoz létre. Ennek eredményeként a vibrátortól nagy távolságban szabad térben terjedő „önfenntartó” mezők létezése válik lehetővé. Ezek a vibrátor által kibocsátott elektromágneses hullámok.

Hertz kísérletei. A vibrátor, amelynek segítségével G. Hertz 1888-ban először kísérletileg szerzett elektromágneses hullámokat, egyenes vezető volt, középen kis légréssel (178a. ábra). Ennek a résnek köszönhetően jelentős töltéseket lehetett átadni a vibrátor két felének. Amikor a potenciálkülönbség elért egy bizonyos határértéket, a légrésben meghibásodás történt (szikra ugrott), és az ionizált levegőn keresztül elektromos töltések áramolhattak a vibrátor egyik feléből a másikba. Nyitott áramkörben elektromágneses rezgések keletkeztek. Annak érdekében, hogy gyors váltakozó áramok csak a vibrátorban létezzenek, és ne zárják rövidre az áramforrást, fojtótekercseket kell csatlakoztatni a vibrátor és a forrás közé (lásd 178a. ábra).

Rizs. 178. Hertz vibrátor

A vibrátorban magas frekvenciájú rezgések mindaddig léteznek, amíg a szikra bezárja a felei közötti rést. Az ilyen rezgések csillapítása a vibrátorban elsősorban nem az ellenállás Joule-veszteségei miatt következik be (mint egy zárt oszcillációs körben), hanem az elektromágneses hullámok sugárzása miatt.

Az elektromágneses hullámok észlelésére a Hertz egy második (vevő) vibrátort használt (1786. ábra). Az emitterből érkező hullám váltakozó elektromos mezőjének hatására a vevő vibrátorban lévő elektronok kényszerrezgéseket hajtanak végre, azaz a vibrátorban gyorsan váltakozó áramot gerjesztenek. Ha a vevővibrátor méretei megegyeznek a kibocsátóéval, akkor a bennük lévő természetes elektromágneses rezgések frekvenciája egybeesik, és a vevővibrátorban a kényszerrezgés a rezonancia hatására észrevehető értéket ér el. A Hertz ezeket az oszcillációkat a vevővibrátor közepén lévő mikroszkopikus résben lévő szikra megcsúszásával, vagy a vibrátor felei közé csatlakoztatott miniatűr G gázkisülési cső izzásával észlelte.

A Hertz nemcsak kísérletileg bizonyította az elektromágneses hullámok létezését, hanem először kezdte el tanulmányozni tulajdonságaikat - abszorpció és fénytörés különböző közegekben, visszaverődés fémfelületekről stb.. Kísérletileg az elektromágneses hullámok sebességének mérésére is lehetőség nyílt, amiről kiderült, hogy egyenlő a fénysebességgel.

Az elektromágneses hullámok sebességének jóval felfedezésük előtt mért fénysebességgel való egybeesése szolgált kiindulópontul a fény elektromágneses hullámokkal való azonosításához és a fény elektromágneses elméletének megalkotásához.

Az elektromágneses hullám térforrások nélkül létezik abban az értelemben, hogy kibocsátása után a hullám elektromágneses tere nem kapcsolódik a forráshoz. Így különbözik az elektromágneses hullám a statikus elektromos és mágneses mezőktől, amelyek a forráson kívül nem léteznek.

Az elektromágneses hullámok sugárzásának mechanizmusa. Az elektromágneses hullámok kibocsátása az elektromos töltések felgyorsult mozgásával történik. A J. Thomson által javasolt alábbi egyszerű érveléssel megértheti, hogyan keletkezik egy hullám keresztirányú elektromos tere egy ponttöltés sugárirányú Coulomb-teréből.

Rizs. 179. Helyhez kötött ponttöltés tere

Tekintsük a ponttöltés által létrehozott elektromos teret Ha a töltés nyugalmi állapotban van, akkor annak elektrosztatikus terét a töltésből kiinduló sugárirányú erővonalak ábrázolják (179. ábra). Hadd induljon el a töltés abban a pillanatban, valamilyen külső erő hatására a gyorsulással, és egy idő után ennek az erőnek a hatása leáll, így a töltés egyenletesen mozog a sebességgel ábrán látható a töltés mozgása. 180.

Képzeljünk el egy képet az elektromos tér vonalairól, amelyeket ez a töltés hosszú idő után hoz létre. Mivel az elektromos tér c fénysebességgel terjed,

akkor a töltés mozgása okozta elektromos térváltozás nem érhetett el a sugárgömbön kívül eső pontokat: ezen a gömbön kívül a tér ugyanaz, mint az álló töltésnél (181. ábra). Ennek a mezőnek az erőssége (a Gauss-féle mértékegységrendszerben) egyenlő

Az elektromos tér teljes változása, amelyet a töltés időbeli felgyorsult mozgása okoz egy időpillanatban, egy vékony, gömb alakú vastagságú réteg belsejében helyezkedik el, amelynek külső sugara egyenlő és a belső sugara - Ez az ábrán látható. 181. Egy sugarú gömbön belül az elektromos tér az egyenletesen mozgó töltés tere.

Rizs. 180. Töltési sebesség grafikon

Rizs. 181. ábra grafikonja szerint mozgó töltés elektromos térerősségének vonalai. 180

Rizs. 182. Levezetni a gyorsított mozgó töltés sugárzási térerősségének képletét

Ha a töltés sebessége jóval kisebb, mint a c fénysebesség, akkor ez a mező az időpillanatban egybeesik a kezdettől távolabb elhelyezkedő stacionárius ponttöltés mezőjével (181. ábra): az a mező Az állandó sebességgel lassan mozgó töltés együtt mozog vele, és a töltés által megtett távolság az idő függvényében, amint az az ábrán látható. 180, egyenlőnek tekinthető, ha g»t.

Az elektromos tér mintázata a gömbrétegen belül könnyen megtalálható, figyelembe véve a térvonalak folytonosságát. Ehhez össze kell kötni a megfelelő sugárirányú erővonalakat (181. ábra). A töltés felgyorsult mozgása miatt az erővonalak törése c sebességgel „elszalad” a töltéstől. Megtört az elektromos vezetékek között

gömbök, ez a számunkra érdekes sugárzási mező, amely c sebességgel terjed.

A sugárzási tér meghatározásához vegyük figyelembe az egyik intenzitásvonalat, amely bizonyos szöget zár be a töltésmozgás irányával (182. ábra). Bontsuk fel az E törésnél lévő elektromos térerősség vektort két komponensre: radiális és keresztirányú A radiális komponens a tőle távolabb eső töltés által létrehozott elektrosztatikus tér erőssége:

A keresztirányú komponens a gyorsított mozgás során a töltés által kibocsátott hullám elektromos térerőssége. Mivel ez a hullám egy sugár mentén halad, a vektor merőleges a hullám terjedési irányára. ábrából 182 egyértelmű, hogy

Helyettesítve itt (2) azt találjuk

Tekintettel arra, hogy az arány az a gyorsulás, amellyel a töltés a 0-tól eltelt idő alatt elmozdult, ezt a kifejezést átírjuk a következő alakba

Mindenekelőtt figyeljünk arra, hogy egy hullám elektromos térereje fordított arányban csökken a középponttól való távolsággal, ellentétben az elektrosztatikus térerősséggel, amely arányos az elvárt távolságfüggéssel. ha figyelembe vesszük az energiamegmaradás törvényét. Mivel a hullám vákuumban terjedésekor nem történik energiaelnyelés, a tetszőleges sugarú gömbön áthaladó energia mennyisége azonos. Mivel egy gömb felülete arányos a sugara négyzetével, az energiaáramlásnak a felületének egy egységén keresztül fordítottan arányosnak kell lennie a sugár négyzetével. Figyelembe véve, hogy a hullám elektromos mezőjének energiasűrűsége egyenlő, arra a következtetésre jutunk, hogy

Ezután megjegyezzük, hogy a (4) képletben szereplő hullám térerőssége az adott pillanatban a töltés gyorsulásától függ, és abban az időpontban, amikor az adott pillanatban kibocsátott hullám elér egy olyan pontot, amely egy távolságra egy idő egyenlő

Rezgő töltés kisugárzása. Tegyük fel most, hogy a töltés állandóan egy egyenes mentén mozog valamilyen változó gyorsulással a koordináták origója közelében, például harmonikus rezgéseket hajt végre. Ezután folyamatosan elektromágneses hullámokat bocsát ki. A hullám elektromos térerősségét a koordináták kezdőpontjától távolabb eső pontban továbbra is a (4) képlet határozza meg, és az időpillanatbeli térerősség az a töltés korábbi pillanatbeli gyorsulásától függ.

Legyen a töltés mozgása egy bizonyos A amplitúdóval és co frekvenciájú koordináták origója közelében harmonikus rezgés:

A töltés gyorsulását ilyen mozgás közben a kifejezés adja meg

A töltésgyorsulást az (5) képletbe behelyettesítve kapjuk

Az elektromos tér változása az ilyen hullám áthaladásának bármely pontján egy frekvenciájú harmonikus rezgést jelent, azaz egy rezgő töltés monokromatikus hullámot bocsát ki. Természetesen a (8) képlet az A töltés oszcillációinak amplitúdójához képest nagy távolságokra érvényes.

Elektromágneses hullámenergia. A töltés által kibocsátott monokromatikus hullám elektromos mezőjének energiasűrűsége a (8) képlet segítségével meghatározható:

Az energiasűrűség arányos a töltéslengés amplitúdójának és a frekvencia negyedik hatványának négyzetével.

Bármilyen ingadozás az energia időszakos átmeneteihez kapcsolódik egyik típusból a másikba és vissza. Például egy mechanikus oszcillátor rezgését a kinetikus energia és a rugalmas deformáció potenciális energiájának kölcsönös átalakulása kíséri. Az áramkör elektromágneses rezgésének vizsgálatakor azt láttuk, hogy a mechanikus oszcillátor potenciális energiájának analógja a kondenzátorban lévő elektromos mező energiája, a kinetikus energia analógja pedig a tekercs mágneses terének energiája. Ez az analógia nem csak a lokalizált rezgésekre érvényes, hanem a hullámfolyamatokra is.

Egy elasztikus közegben haladó monokromatikus hullámban a kinetikus és potenciális energiasűrűségek minden pontban dupla frekvenciájú harmonikus rezgésen mennek keresztül, így értékük bármikor egybeesik. Ugyanez a helyzet egy utazó monokromatikus elektromágneses hullámban is: az elektromos és mágneses mező energiasűrűsége, minden pontban egymással megegyező frekvenciájú harmonikus rezgést végrehajtva bármikor.

A mágneses mező energiasűrűségét B indukcióban fejezzük ki a következőképpen:

Egy utazó elektromágneses hullámban az elektromos és a mágneses mező energiasűrűségét egyenlővé téve, meggyőződésünk, hogy egy ilyen hullámban a mágneses tér indukciója ugyanúgy függ a koordinátáktól és az időtől, mint az elektromos térerősség. Más szóval, egy haladó hullámban a mágneses tér indukciója és az elektromos térerősség minden pillanatban megegyezik egymással (a Gauss-féle mértékegységrendszerben):

Elektromágneses hullám energiaáramlás. Az elektromágneses tér teljes energiasűrűsége egy haladó hullámban kétszerese az elektromos tér energiasűrűségének (9). A hullám által hordozott y energiaáram-sűrűség egyenlő az energiasűrűség és a hullám terjedési sebességének szorzatával. A (9) képlet segítségével láthatja, hogy az energiaáram bármely felületen frekvenciával oszcillál Az energiaáram-sűrűség átlagos értékének meghatározásához a (9) kifejezést idővel átlagolni kell. Mivel az átlagérték 1/2, akkor kapjuk

Rizs. 183. Az oszcilláló töltés által kibocsátott energia szögeloszlása

Az energiaáram sűrűsége a hullámban az iránytól függ: abban az irányban, amelyben a töltés oszcillál, a legnagyobb energiamennyiség az erre az irányra merőleges síkban bocsát ki ábrán látható egy oszcilláló töltéssel. 183. A töltés a tengely mentén oszcillál A koordináták origójából szakaszok rajzolódnak ki, amelyek hossza arányos az adott sugárzással.

az energia iránya, azaz a diagram egy vonalat mutat, amely e szakaszok végeit összeköti.

Az energia térbeli irányok szerinti eloszlását egy felület jellemzi, amelyet a diagram tengely körüli elforgatásával kapunk

Az elektromágneses hullámok polarizációja. A vibrátor által a harmonikus rezgések során keltett hullámot monokromatikusnak nevezzük. A monokromatikus hullámot bizonyos с frekvencia és X hullámhossz jellemzi. A hullámhossz és a frekvencia a hullámterjedés sebességén keresztül függ össze:

Az elektromágneses hullám vákuumban keresztirányú: a hullám elektromágneses térerősségének vektora, amint az a fenti okfejtésből is látható, merőleges a hullám terjedési irányára. Átmegyünk a P megfigyelési ponton az ábrán. 184 gömb, amelynek középpontja a koordináták origójában van, és amely körül a sugárzó töltés a tengelye mentén ingadozik. Vonjunk rá párhuzamokat és meridiánokat. Ekkor a hullámtér E vektora érintőlegesen a meridiánra irányul, a B vektor pedig merőleges az E vektorra és érintőlegesen a párhuzamosra.

Ennek igazolására vizsgáljuk meg részletesebben az elektromos és a mágneses mezők kapcsolatát egy utazó hullámban. Ezek a mezők a hullám kibocsátása után már nem kapcsolódnak a forráshoz. Amikor egy hullám elektromos tere megváltozik, mágneses tér jelenik meg, amelynek erővonalai, amint azt az elmozdulási áram vizsgálatakor láttuk, merőlegesek az elektromos erővonalakra. Ez a váltakozó mágneses tér változása egy örvény elektromos tér megjelenéséhez vezet, amely merőleges az azt létrehozó mágneses térre. Így, ahogy a hullám terjed, az elektromos és a mágneses mező támogatja egymást, és mindig egymásra merőlegesek maradnak. Mivel egy haladó hullámban az elektromos és a mágneses tér változása egymással fázisban történik, a hullám pillanatnyi „portréja” (az E és B vektorok a vonal különböző pontjain a terjedési irány mentén) a 2. ábrán látható alakot mutatják. . 185. Az ilyen hullámot lineárisan polarizáltnak nevezzük. A harmonikus rezgést végző töltés minden irányban lineárisan polarizált hullámokat bocsát ki. Egy tetszőleges irányban haladó lineárisan polarizált hullámban az E vektor mindig ugyanabban a síkban van.

Mivel a lineáris elektromágneses vibrátor töltései éppen ilyen oszcilláló mozgáson mennek keresztül, a vibrátor által kibocsátott elektromágneses hullám lineárisan polarizált. Ez könnyen ellenőrizhető kísérletileg a vevő vibrátor irányának megváltoztatásával a kibocsátóhoz képest.

Rizs. 185. Elektromos és mágneses mezők haladó lineárisan polarizált hullámban

A jel akkor a legnagyobb, ha a vevő vibrátor párhuzamos a kibocsátóval (lásd 178. ábra). Ha a vevő vibrátort a kibocsátóra merőlegesen fordítjuk, a jel eltűnik. A vevővibrátorban elektromos rezgések csak a vibrátor mentén irányított hullám elektromos térkomponense miatt jelenhetnek meg. Ezért egy ilyen kísérlet azt jelzi, hogy a hullám elektromos mezője párhuzamos a sugárzó vibrátorral.

A keresztirányú elektromágneses hullámok más típusú polarizációja is lehetséges. Ha például az E vektor egy hullám áthaladása során egy bizonyos ponton egyenletesen forog a terjedési irány körül, nagysága változatlan marad, akkor a hullámot cirkulárisan polarizáltnak vagy körben polarizáltnak nevezzük. Egy ilyen elektromágneses hullám elektromos mezőjének pillanatnyi „portréja” látható az ábrán. 186.

Rizs. 186. Elektromos tér mozgó, körkörösen polarizált hullámban

Körkörösen polarizált hullámot úgy kaphatunk, hogy összeadunk két azonos frekvenciájú és amplitúdójú, azonos irányban terjedő, lineárisan polarizált hullámot, amelyben az elektromos térvektorok egymásra merőlegesek. Minden hullámban az elektromos térvektor minden pontban harmonikus rezgésen megy keresztül. Ahhoz, hogy az ilyen, egymásra merőleges oszcillációk összeadása a kapott vektor elfordulását eredményezze, fáziseltolásra van szükség, vagyis a lineárisan polarizált hullámok összeadását a hullámhossz negyedével kell eltolni egymáshoz képest.

Hullámimpulzus és fénynyomás. Az energiával együtt az elektromágneses hullámnak is van lendülete. Ha egy hullám elnyelődik, akkor a lendülete átadódik az azt elnyelő tárgynak. Ebből következik, hogy elnyelve az elektromágneses hullám nyomást gyakorol a gátra. A hullámnyomás eredete és ennek a nyomásnak a nagysága a következőképpen magyarázható.

Egy egyenes vonalban irányítva. Ekkor a töltés által elnyelt P teljesítmény egyenlő

Feltételezzük, hogy a beeső hullám összes energiáját elnyeli a gát. Mivel a hullám egységnyi idő alatt az akadály felületére jut energiát, a hullám által kifejtett nyomás a normál beesés során egyenlő a hullám energiasűrűségével egységnyi idő egy impulzus, amely a (15) képlet szerint egyenlő az elnyelt energiával osztva a fénysebesség c . Ez azt jelenti, hogy az elnyelt elektromágneses hullám impulzusa megegyezik az energiával osztva a fény sebességével.

Az elektromágneses hullámok nyomását először P. N. Lebegyev fedezte fel kísérletileg 1900-ban, kivételesen finom kísérletekkel.

Miben különböznek a kvázi-stacionárius elektromágneses rezgések zárt rezgőkörben a nagyfrekvenciás rezgésektől egy nyitott vibrátorban? Adj egy mechanikai analógiát!

Magyarázza meg, miért nem bocsátanak ki elektromágneses hullámokat az elektromágneses kvázi-stacionárius rezgések során zárt körben! Miért keletkezik sugárzás az elektromágneses rezgések során egy nyitott vibrátorban?

Ismertesse és magyarázza el Hertz kísérleteit az elektromágneses hullámok izgalmas és detektálásával kapcsolatban. Milyen szerepet játszik a szikraköz az adó és vevő vibrátorokban?

Magyarázza el, hogy egy elektromos töltés felgyorsult mozgásával hogyan alakul át a hosszanti elektrosztatikus tér az általa kibocsátott elektromágneses hullám keresztirányú elektromos mezőjévé!

Energetikai megfontolások alapján mutassuk meg, hogy a vibrátor által kibocsátott gömbhullám elektromos térereje 1 1r-rel csökken (ellentétben az elektrosztatikus mezővel).

Mi az a monokromatikus elektromágneses hullám? Mi a hullámhossz? Hogyan kapcsolódik a frekvenciához? Mi a tulajdonsága a keresztirányú elektromágneses hullámoknak?

Mit nevezünk egy elektromágneses hullám polarizációjának? Milyen típusú polarizációt ismer?

Milyen érveket tud felhozni annak igazolására, hogy az elektromágneses hullámnak van lendülete?

Magyarázza meg a Lorentz-erő szerepét az elektromágneses hullám nyomási erejének akadályon való fellépésében!