Fale elektromagnetyczne, promieniowanie elektromagnetyczne, propagacja fal elektromagnetycznych

W 1864 roku James Clerk Maxwell przewidział możliwość pojawienia się fal elektromagnetycznych w kosmosie. Wysunął to twierdzenie na podstawie wniosków wyciągniętych z analizy wszystkich znanych wówczas danych eksperymentalnych dotyczących elektryczności i magnetyzmu.

Maxwell matematycznie połączył prawa elektrodynamiki, łącząc zjawiska elektryczne i magnetyczne, i w ten sposób doszedł do wniosku, że zmieniające się w czasie pola elektryczne i magnetyczne generują się wzajemnie.

Początkowo podkreślał fakt, że związek między zjawiskami magnetycznymi i elektrycznymi nie jest symetryczny i wprowadził termin „wirowe pole elektryczne”, proponując własne, prawdziwie nowe wyjaśnienie zjawiska indukcji elektromagnetycznej odkrytego przez Faradaya: „każda zmiana pola magnetycznego prowadzi do pojawienia się w otaczającej przestrzeni wirowego pola elektrycznego o zamkniętych liniach sił”.

Według Maxwella przeciwne stwierdzenie, że „zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni”, jest również prawdziwe, ale to stwierdzenie początkowo pozostawało jedynie hipotezą.

Maxwell spisał układ równań matematycznych, które konsekwentnie opisują prawa wzajemnych przemian pól magnetycznych i elektrycznych, równania te później stały się podstawowymi równaniami elektrodynamiki i zaczęto je nazywać „równaniami Maxwella” na cześć wielkiego naukowca, który napisał je w dół. Hipoteza Maxwella, oparta na zapisanych równaniach, ma kilka niezwykle ważnych dla nauki i techniki wniosków, które przedstawiono poniżej.

Fale elektromagnetyczne istnieją

W przestrzeni mogą istnieć poprzeczne fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się w czasie pole elektromagnetyczne… O tym, że fale są poprzeczne, świadczy fakt, że wektory indukcji magnetycznej B i natężenia pola elektrycznego E są wzajemnie prostopadłe i leżą w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się ze skończoną prędkością

Szybkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w danej substancji jest skończona i zależy od właściwości elektrycznych i magnetycznych substancji, przez którą rozchodzi się fala. Długość fali sinusoidalnej λ jest w tym przypadku związana z prędkością υ z pewnym dokładnym stosunkiem λ = υ / f i zależy od częstotliwości f oscylacji pola. Prędkość c fali elektromagnetycznej w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych — prędkością światła w próżni.

Ponieważ Maxwell stwierdził, że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest skończona, stworzyło to sprzeczność między jego hipotezą a akceptowaną wówczas teorią działania na duże odległości, zgodnie z którą prędkość rozchodzenia się fal miała być nieskończona. Dlatego teoria Maxwella nazywana jest teorią działania krótkiego zasięgu.

Fala elektromagnetyczna to pole elektryczne i magnetyczne, które wzajemnie się przekształcają.

W fali elektromagnetycznej wzajemne przekształcenie pola elektrycznego i pola magnetycznego następuje w tym samym czasie, dlatego gęstości objętościowe energii magnetycznej i elektrycznej są sobie równe. Dlatego prawdą jest, że moduły natężenie pola elektrycznego i indukcja pola magnetycznego są ze sobą powiązane w dowolnym punkcie przestrzeni poprzez następujące połączenie:

Fale elektromagnetyczne przenoszą energię

Fala elektromagnetyczna w procesie swojej propagacji wytwarza przepływ energii elektromagnetycznej i jeśli uwzględnimy obszar w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali, to pewna ilość energii elektromagnetycznej przepłynie przez nią w sposób krótki czas. Gęstość strumienia energii elektromagnetycznej to ilość energii przenoszonej przez falę elektromagnetyczną przez powierzchnię na jednostkę powierzchni w jednostce czasu. Podstawiając wartości prędkości, energii magnetycznej i elektrycznej, można otrzymać wyrażenie na gęstość strumienia w postaci wielkości E i B.

Wektor Poyntinga — wektor przepływu energii fali

Ponieważ kierunek propagacji energii fali pokrywa się z kierunkiem prędkości propagacji fali, przepływ energii propagującej się w fali elektromagnetycznej można ustawić za pomocą wektora skierowanego w taki sam sposób, jak prędkość propagacji fali. Ten wektor nazywa się „wektorem Poyntinga” — na cześć brytyjskiego fizyka Henry'ego Poyntinga, który w 1884 roku opracował teorię propagacji przepływu energii w polu elektromagnetycznym. Gęstość strumienia energii fali mierzona jest w W/m2.

Fale elektromagnetyczne naciskają na ciała, które je odbijają lub pochłaniają

Kiedy pole elektryczne działa na substancję, pojawiają się w niej małe prądy, które są uporządkowanym ruchem cząstek naładowanych elektrycznie. Prądy te w polu magnetycznym fali elektromagnetycznej podlegają działaniu siły Ampera, która jest skierowana w głąb substancji. W rezultacie siła Ampera generuje ciśnienie.

Zjawisko to zostało później, w 1900 roku, zbadane i potwierdzone empirycznie przez rosyjskiego fizyka Piotra Nikołajewicza Lebiediewa, którego praca eksperymentalna była bardzo ważna dla potwierdzenia teorii elektromagnetyzmu Maxwella oraz jej akceptacji i zatwierdzenia w przyszłości.

Fakt, że fala elektromagnetyczna wywiera ciśnienie, pozwala oszacować obecność impulsu mechanicznego w polu elektromagnetycznym, który można wyrazić na jednostkę objętości objętościową gęstością energii elektromagnetycznej i prędkością propagacji fali w próżni:

Ponieważ pęd związany jest z ruchem masy, możliwe jest wprowadzenie takiego pojęcia jak masa elektromagnetyczna, a wówczas dla jednostkowej objętości stosunek ten (zgodnie z STW) przyjmie charakter uniwersalnego prawa natury i będzie obowiązywał dla wszelkich materialnych ciał niezależnie od formy materii. Wtedy pole elektromagnetyczne jest podobne do ciała materialnego — ma energię W, masę m, pęd p i prędkość graniczną v. Oznacza to, że pole elektromagnetyczne jest jedną z form materii faktycznie występujących w przyrodzie.

Ostateczne potwierdzenie teorii Maxwella

Po raz pierwszy w 1888 roku Heinrich Hertz eksperymentalnie potwierdził teorię elektromagnetyczną Maxwella. Empirycznie udowodnił prawdziwość fal elektromagnetycznych i zbadał ich właściwości, takie jak załamanie i absorpcja w różnych ośrodkach, a także odbicie fal od powierzchni metalowych.

Hertz mierzy długość fali promieniowanie elektromagnetycznei wykazał, że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła. Eksperymentalna praca Hertza była ostatnim krokiem w kierunku akceptacji teorii elektromagnetycznej Maxwella. Siedem lat później, w 1895 roku, rosyjski fizyk Aleksander Stepanowicz Popow użył fal elektromagnetycznych do stworzenia komunikacji bezprzewodowej.

Fale elektromagnetyczne są wzbudzane tylko przez poruszające się z przyspieszeniem ładunki

W obwodach prądu stałego ładunki poruszają się ze stałą prędkością, a fale elektromagnetyczne w tym przypadku nie są emitowane w przestrzeń.Aby doszło do promieniowania, konieczne jest zastosowanie anteny, w której prądy przemienne, czyli prądy które szybko zmieniają kierunek, byłyby podekscytowane.

W swojej najprostszej formie dipol elektryczny o niewielkich rozmiarach nadaje się do emitowania fal elektromagnetycznych, w których moment dipolowy zmieniałby się szybko w czasie. Taki dipol nazywany jest dziś „dipolem hercowskim”, którego rozmiary są kilkakrotnie mniejsze od emitowanej przez niego długości fali.

Podczas emisji z dipola Hertza maksymalny strumień energii elektromagnetycznej pada na płaszczyznę prostopadłą do osi dipola. Nie ma promieniowania energii elektromagnetycznej wzdłuż osi dipola. W najważniejszych eksperymentach Hertza elementarne dipole były używane zarówno do emitowania, jak i odbierania fal elektromagnetycznych, co dowodzi istnienia fal elektromagnetycznych.