גלים אלקטרומגנטיים, קרינה אלקטרומגנטית, התפשטות גלים אלקטרומגנטיים

בשנת 1864, ג'יימס קלרק מקסוול חזה את האפשרות של גלים אלקטרומגנטיים בחלל. הוא העלה טענה זו על בסיס המסקנות שנגזרו מניתוח כל נתוני הניסוי הידועים באותה תקופה בנוגע לחשמל ומגנטיות.

מקסוול שילב מתמטית את חוקי האלקטרודינמיקה, חיבור בין תופעות חשמליות ומגנטיות, וכך הגיע למסקנה ששדות חשמליים ומגנטיים, המשתנים עם הזמן, יוצרים זה את זה.

בתחילה, הוא הדגיש את העובדה שהקשר בין תופעות מגנטיות לחשמליות אינו סימטרי והציג את המונח "שדה חשמלי מערבולי", והציע הסבר משלו, חדש באמת לתופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית שגילה פאראדיי: "כל שינוי במגנטי. שדה מוביל להופעה במרחב שמסביב של שדה חשמלי מערבולת עם קווי כוח סגורים".

לפי מקסוול, האמירה ההפוכה לפיה "שדה חשמלי משתנה מייצר שדה מגנטי במרחב שמסביב" נכונה גם היא, אך אמירה זו נותרה בתחילה בגדר השערה בלבד.

מקסוול רשם מערכת של משוואות מתמטיות המתארות באופן עקבי את חוקי הטרנספורמציות ההדדיות של השדות המגנטיים והחשמליים, משוואות אלו הפכו מאוחר יותר למשוואות הבסיסיות של האלקטרודינמיקה והחלו להיקרא "משוואות מקסוול" לכבוד המדען הגדול. שכתב הם למטה. להשערה של מקסוול, המבוססת על המשוואות הכתובות, יש כמה מסקנות חשובות ביותר עבור המדע והטכנולוגיה, המובאות להלן.

קיימים גלים אלקטרומגנטיים

גלים אלקטרומגנטיים רוחביים יכולים להתקיים בחלל שמתפשטים לאורך זמן שדה אלקרומגנטי... העובדה שהגלים הם רוחביים מתבטאת בעובדה שהווקטורים של האינדוקציה המגנטית B ועוצמת השדה החשמלי E מאונכים זה לזה ושניהם נמצאים במישור המאונך לכיוון ההתפשטות של הגל האלקטרומגנטי.

גלים אלקטרומגנטיים מתפשטים במהירות סופית

מהירות ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים בחומר נתון היא סופית ונקבעת על פי התכונות החשמליות והמגנטיות של החומר שדרכו מתפשט הגל. אורך הגל הסינוסואידי λ במקרה זה קשור למהירות υ עם יחס מדויק מסוים λ = υ / f ותלוי בתדירות f של תנודות השדה. מהירות c של גל אלקטרומגנטי בוואקום היא אחד הקבועים הפיזיקליים הבסיסיים - מהירות האור בוואקום.

מכיוון שמקסוול קבע שמהירות ההתפשטות של גל אלקטרומגנטי היא סופית, הדבר יצר סתירה בין השערתו לבין תורת הפעולה למרחקים ארוכים המקובלת באותה תקופה, לפיה מהירות ההתפשטות של גלים הייתה אמורה להיות אינסופית. לכן, התיאוריה של מקסוול נקראת תיאוריית הפעולה לטווח קצר.

גל אלקטרומגנטי הוא שדה חשמלי ומגנטי אשר הופכים זה לזה.

בגל האלקטרומגנטי מתרחשת בו-זמנית הטרנספורמציה של השדה החשמלי והשדה המגנטי זה לזה, לכן צפיפות הנפח של האנרגיה המגנטית והחשמלית שווה זו לזו. לכן, נכון שהמודולים של ה. עוצמת השדה החשמלי והשראת השדה המגנטי קשורים זה לזה בכל נקודה בחלל דרך החיבור הבא:

גלים אלקטרומגנטיים נושאים אנרגיה

גל אלקטרומגנטי בתהליך התפשטותו יוצר זרימה של אנרגיה אלקטרומגנטית, ואם ניקח בחשבון את השטח במישור המאונך לכיוון ההתפשטות של הגל, אזי כמות מסוימת של אנרגיה אלקטרומגנטית תנוע דרכו ב- זמן קצר. צפיפות שטף האנרגיה האלקטרומגנטית היא כמות האנרגיה הנישאת על ידי גל אלקטרומגנטי על פני משטח ליחידת שטח ליחידת זמן. על ידי החלפת ערכי המהירות, כמו גם האנרגיה המגנטית והחשמלית, ניתן לקבל ביטוי לצפיפות השטף במונחים של הכמויות E ו-B.

וקטור פוינטינג - וקטור של זרימת האנרגיה של הגל

מכיוון שכיוון ההתפשטות של אנרגיית הגל עולה בקנה אחד עם כיוון מהירות ההתפשטות של הגל, ניתן לקבוע את זרימת האנרגיה המתפשטת בגל האלקטרומגנטי באמצעות וקטור המכוון באותו אופן כמו מהירות ההתפשטות של הגל. וקטור זה נקרא "וקטור פוינטינג" - לכבודו של הפיזיקאי הבריטי הנרי פוינטינג, שב-1884 פיתח את התיאוריה של התפשטות זרימת האנרגיה של שדה אלקטרומגנטי. צפיפות שטף אנרגיית הגל נמדדת ב-W/m2.

גלים אלקטרומגנטיים לוחצים על גופים המשקפים או סופגים אותם

כאשר שדה חשמלי פועל על חומר, מופיעים בו זרמים קטנים שהם תנועה מסודרת של חלקיקים טעונים חשמלית. זרמים אלו בשדה המגנטי של גל אלקטרומגנטי נתונים לפעולת כוח האמפר, המופנה עמוק לתוך החומר. כתוצאה מכך, הכוח של אמפר יוצר לחץ.

תופעה זו נחקרה ואושרה מאוחר יותר, בשנת 1900, באופן אמפירי על ידי הפיזיקאי הרוסי פיוטר ניקולאייביץ' לבדב, שלעבודתו הניסיונית הייתה חשיבות רבה לאישוש תורת האלקטרומגנטיות של מקסוול וקבלתה ואישורה בעתיד.

העובדה שהגל האלקטרומגנטי מפעיל לחץ מאפשרת להעריך את נוכחותו של דחף מכני בשדה האלקטרומגנטי, שיכול להתבטא ליחידת נפח בצפיפות הנפח של האנרגיה האלקטרומגנטית ומהירות התפשטות הגל בוואקום:

מכיוון שתנע קשור לתנועת המסה, אפשר להציג מושג כזה כמו מסה אלקטרומגנטית, ואז עבור יחידת נפח יחס זה (בהתאם ל-STR) יקבל אופי של חוק טבע אוניברסלי ויהיה תקף עבור כל גופים חומריים ללא קשר לצורת החומר. אז השדה האלקטרומגנטי דומה לגוף חומרי - יש לו אנרגיה W, מסה m, תנע p ומהירות סופית v. כלומר, השדה האלקטרומגנטי הוא אחת מצורות החומר הקיימות בפועל בטבע.

אישור סופי לתיאוריה של מקסוול

לראשונה בשנת 1888 אישר היינריך הרץ בניסוי את התיאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול. הוא הוכיח באופן אמפירי את המציאות של גלים אלקטרומגנטיים וחקר את תכונותיהם כמו שבירה ובליעה במדיות שונות, כמו גם החזרת גלים ממשטחי מתכת.

הרץ מודד אורך גל קרינה אלקטרומגנטית, והראה שמהירות ההתפשטות של גל אלקטרומגנטי שווה למהירות האור. עבודתו הניסיונית של הרץ הייתה הצעד האחרון לקראת קבלת התיאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול. שבע שנים מאוחר יותר, ב-1895, השתמש הפיזיקאי הרוסי אלכסנדר סטפנוביץ' פופוב בגלים אלקטרומגנטיים כדי ליצור תקשורת אלחוטית.

גלים אלקטרומגנטיים נרגשים רק על ידי מטענים נעים מואצים

במעגלי זרם ישר המטענים נעים במהירות קבועה והגלים האלקטרומגנטיים במקרה זה אינם נפלטים לחלל, על מנת שתהיה קרינה יש צורך להשתמש באנטנה שבה הזרמים המתחלפים, כלומר זרמים שמשנים במהירות את הכיוון שלהם, יתרגשו.

בצורתו הפשוטה ביותר, דיפול חשמלי בגודל קטן מתאים להקרנת גלים אלקטרומגנטיים שבהם מומנט הדיפול ישתנה במהירות עם הזמן. דיפול כזה נקרא היום "דיפול הרציאני", שגודלו קטן פי כמה מאורך הגל שהוא פולט.

כאשר נפלט מדיפול הרציאני, השטף המרבי של אנרגיה אלקטרומגנטית נופל על מישור מאונך לציר הדיפול. אין קרינה של אנרגיה אלקטרומגנטית לאורך ציר הדיפול. בניסויים החשובים ביותר של הרץ, נעשה שימוש בדיפולים אלמנטריים גם לפליטת וגם לקליטת גלים אלקטרומגנטיים, מה שמוכיח את קיומם של גלים אלקטרומגנטיים.