Existența undelor electromagnetice a fost prezis teoretic de marele fizician englez John. Maxwell în 1864. Maxwell a analizat toate cunoscute la acel moment, legile electrodinamicii și a încercat să le aplice la un interval de timp care variază câmpuri electrice și magnetice. El a atras atenția asupra asimetria în relația dintre fenomenele electrice și magnetice. Maxwell a introdus conceptul de câmp fizicii vortex eleetricheskogo și a oferit o nouă interpretare a legii inducției electromagnetice, descoperirea lui Faraday în 1831.:
Orice modificare a câmpului magnetic în spațiul din jur creează un câmp electric vortex ale căror linii de forță sunt închise.
Maxwell a propus ipoteza existenței și procesul invers:
Un câmp electric variabil în timp generează în câmpul magnetic din jur.
Fig. 2.6.1 și 2.6.2 ilustrează conversia reciprocă a câmpurilor electrice și magnetice.
Legea inducției electromagnetice în tratamentul Maxwell
Ipoteza lui Maxwell. Varierea câmp electric produce un câmp magnetic
Această ipoteză a fost o presupunere teoretică, neavând dovezi experimentale, cu toate acestea, pe baza lui Maxwell capabil să înregistreze un set consistent de ecuații care descrie conversia reciprocă a câmpurilor electrice și magnetice, adică. E. Sistemul ecuațiilor câmpului electromagnetic (ecuațiile lui Maxwell). Teoria lui Maxwell urmează câteva concluzii importante:
1. Există o undă electromagnetică, care se răspândește în spațiu și timp a câmpului electromagnetic. Undele electromagnetice sunt transversale - vectori și perpendiculare între ele și se află într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei (Figura 2.6.3.).
Sinusoidale (armonice) undelor electromagnetice. Vectorii. și sunt reciproc perpendiculare
2. Undele electromagnetice se propagă într-un material de la o rată finită
Aici, ε și μ - materialul dielectric permeabilitate și magnetice, ε0 și μ0 - constantele electrice și magnetice:
ε0 = 8,85419 · 10 -12 F / m,
μ0 = 1,25664 · 10 -6 H / m.
λ lungimea de undă într-o undă sinusoidală cu o viteză υ svyavzana raportul de propagare λ = υT = υ / f. unde f - frecvența oscilațiilor câmpului electromagnetic, T = 1 / f.
Viteza undei electromagnetice în vid (ε = μ = 1):
Viteza c de propagare a undelor electromagnetice în vid este una dintre constantele fizice fundamentale.
Maxwell concluzia vitezei finit de propagare a undelor electromagnetice este în contradicție cu teoria acceptată în momentul rază lungă de acțiune. în care se presupune că viteza de propagare a câmpurilor electrice și magnetice să fie infinit de mare. Prin urmare, teoria lui Maxwell se numește teoria cu rază scurtă.
3. undei electromagnetice apar intertransformari de câmpuri electrice și magnetice. Aceste procese au loc simultan, și câmpuri electrice și magnetice acționează ca egali „parteneri“. Prin urmare, densitățile în vrac ale energiei electrice și magnetice sunt egale între ele, noi = wm.
Acest lucru implică faptul că modulele din câmpul magnetic de inducție undelor electromagnetice și intensitatea câmpului electric la fiecare punct în spațiu sunt legate de
4. Energia undelor electromagnetice este transferat. Ca valuri propaga un flux de energie electromagnetică. Dacă zona evidențiați S (fig. 2.6.3), orientat perpendicular pe direcția de propagare a undei, apoi într-un scurt timp scurgeri de energie printr-AT un δWem pad. egal
Densitatea fluxului sau intensivnostyuI numită energia electromagnetică purtată de val pe unitatea de timp prin unitatea de suprafață a suprafeței:
Substituind expresie pentru noi. wm și v, pot fi obținute:
Fluxul de energie într-o undă electromagnetică poate fi definită folosind un vector a cărui direcție coincide cu direcția de propagare a undei, iar modulul este EB / μμ0. Acest vector se numește vectorul Poynting.
In sinusoidal (armonice) undei în vid valoarea medie ICP densitate a fluxului de energie electromagnetică egală
în cazul în care E0 - amplitudinea vibrațiilor a câmpului electric.
Densitatea fluxului de energie în SI măsurată în wați pe metru pătrat (W / m2).
5. De la teoria lui Maxwell că undele electromagnetice ar trebui să facă presiuni de absorbție sau de reflexie a corpului. presiune de radiație datorită faptului că câmpul electric al undei în materialul care au curenți slabi, adică mișcarea ordonată a particulelor încărcate. Acești curenți sunt acte de forță Ampere cu undele de câmp magnetic direcționat în materialul interior. Această forță creează o presiune rezultantă. De obicei, presiunea de radiație este neglijabilă. Astfel, de exemplu, presiunea radiației solare, care intră pe Pământ pe o suprafață complet absorbant este de aproximativ 5 uPA. Primele experimente privind determinarea presiunii radiațiilor asupra corpului de reflexie și de absorbție, a confirmat concluziile teoriei lui Maxwell, au fost efectuate Petrom Nikolaevichem Lebedevym în 1900. experimentele lui Lebedev au fost de mare importanță pentru aprobarea teoriei electromagnetice a lui Maxwell.
Existența undelor electromagnetice de presiune conduce la concluzia că câmpul electromagnetic inerent impulsul mecanic. pulsul câmpului electromagnetic pe unitatea de volum este exprimat prin relația
în care Wem - densitatea în vrac a energiei electromagnetice, c - viteză de propagare a undei în vid. Prezența unui puls electromagnetic ne permite să introducem conceptul de masă electromagnetic.
Pentru un câmp din unitatea de volum
Această relație între masa și energia câmpului electromagnetic într-o unitate de volum este o lege universală a naturii. Conform teoriei speciale a relativității (STR), este valabilă pentru toate organismele, indiferent de natura lor și structura internă.
Astfel, câmpul electromagnetic are toate atributele corpurilor - viteza de propagare a energiei finita, impuls, masa. Acest lucru sugerează că câmpul electromagnetic este o formă de existență a materiei.
6. Prima confirmare experimentală a teoriei electromagnetice a lui Maxwell a fost dat aproximativ 15 de ani de la crearea teoriei în experimente Genriha Gertsa (1888). Hertz a demonstrat nu numai experimental existența undelor electromagnetice, dar mai întâi a început să studieze proprietățile lor - .. Absorbție și refracției în medii diferite, reflectate de suprafetele metalice etc. A fost posibil să se măsoare experimental viteza lungimii de undă și propagarea undelor electromagnetice, care a fost egală cu viteza luminii .
Experimentele lui Hertz au fost cruciale pentru dovada și recunoașterea teoriei electromagnetice a lui Maxwell. La șapte ani după aceste experimente, undele electromagnetice au fost utilizate într-o comunicare fără fir (AS Popov, 1895).
7. Unda electromagnetică poate fi excitat numai rapid taxele în mișcare. circuit de curent continuu, în care purtătorii de sarcină se deplasează cu o viteză constantă, nu reprezintă o sursă de unde electromagnetice. În emisie de radio moderne a undelor electromagnetice este realizată folosind antene de desene sau modele diferite, care sunt excitate de rapid variabile curenți.
Cel mai simplu sistem, undele electromagnetice radiante, un dipol electric de mici dimensiuni, momentul de dipol p (t) care variază rapid în timp.
Un astfel de dipol elementar numit dipol hertzian. Hertz Dipolul radio este echivalent cu o mică antenă care dimensiunea este mult mai mică decât lungime de undă X (Fig. 2.6.4).
