الموجات الكهرومغناطيسية ، الاشعاع الكهرومغناطيسي ، انتشار الموجات الكهرومغناطيسية

في عام 1864 ، تنبأ جيمس كليرك ماكسويل بإمكانية حدوث موجات كهرومغناطيسية في الفضاء. قدم هذا الادعاء على أساس الاستنتاجات المستمدة من تحليل جميع البيانات التجريبية المعروفة في ذلك الوقت بشأن الكهرباء والمغناطيسية.

قام ماكسويل بدمج قوانين الديناميكا الكهربائية رياضياً ، وربط الظواهر الكهربائية والمغناطيسية ، وبالتالي توصل إلى استنتاج مفاده أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، التي تتغير بمرور الوقت ، تولد بعضها البعض.

في البداية ، شدد على حقيقة أن العلاقة بين الظواهر المغناطيسية والكهربائية ليست متناظرة وقدم مصطلح "المجال الكهربائي الدوامي" ، مقدمًا تفسيره الخاص الجديد حقًا لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي اكتشفها فاراداي: "كل تغيير في المغناطيسية يؤدي المجال إلى ظهور مجال كهربائي دوامة بخطوط قوة مغلقة في الفضاء المحيط ".

وفقًا لماكسويل ، فإن البيان المعاكس بأن "المجال الكهربائي المتغير ينتج مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط" صحيح أيضًا ، لكن هذه العبارة بقيت في البداية مجرد فرضية.

كتب ماكسويل نظامًا من المعادلات الرياضية التي تصف باستمرار قوانين التحولات المتبادلة للحقول المغناطيسية والكهربائية ، وأصبحت هذه المعادلات فيما بعد المعادلات الأساسية للديناميكا الكهربية وبدأت تسمى "معادلات ماكسويل" تكريما للعالم العظيم. عليهم. تحتوي فرضية ماكسويل ، المستندة إلى المعادلات المكتوبة ، على العديد من الاستنتاجات المهمة للغاية للعلوم والتكنولوجيا ، والتي نعرضها أدناه.

الموجات الكهرومغناطيسية موجودة

يمكن أن توجد الموجات الكهرومغناطيسية المستعرضة في الفضاء والتي تنتشر بمرور الوقت حقل كهرومغناطيسي... تظهر حقيقة أن الموجات مستعرضة من خلال حقيقة أن نواقل الحث المغناطيسي B وشدة المجال الكهربائي E متعامدتان بشكل متبادل وكلاهما يقع في المستوى العمودي على اتجاه انتشار الموجة الكهرومغناطيسية.

تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة محدودة

سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في مادة معينة محدودة ويتم تحديدها من خلال الخواص الكهربائية والمغناطيسية للمادة التي تنتشر الموجة من خلالها. طول الموجة الجيبية λ في هذه الحالة مرتبط بالسرعة υ مع نسبة دقيقة معينة λ = υ / f ويعتمد على التردد f لتذبذبات المجال. السرعة c للموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ هي واحدة من الثوابت الفيزيائية الأساسية - سرعة الضوء في الفراغ.

نظرًا لأن ماكسويل ذكر أن سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية محدودة ، فقد خلق هذا تناقضًا بين فرضيته ونظرية العمل على مسافات طويلة التي تم قبولها في ذلك الوقت ، والتي بموجبها كان من المفترض أن تكون سرعة انتشار الموجات غير محدودة. لذلك ، تسمى نظرية ماكسويل نظرية العمل قصير المدى.

الموجة الكهرومغناطيسية هي مجال كهربائي ومغناطيسي يتحولان إلى بعضهما البعض.

في الموجة الكهرومغناطيسية ، يحدث تحول المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي إلى بعضهما البعض في نفس الوقت ، وبالتالي فإن كثافة حجم الطاقة المغناطيسية والكهربائية متساوية مع بعضها البعض. لذلك ، فمن الصحيح أن وحدات شدة المجال الكهربي وحث المجال المغناطيسي مرتبطان ببعضهما البعض في أي نقطة في الفضاء من خلال الاتصال التالي:

الموجات الكهرومغناطيسية تحمل الطاقة

تخلق الموجة الكهرومغناطيسية في عملية انتشارها تدفقًا للطاقة الكهرومغناطيسية ، وإذا أخذنا في الاعتبار المنطقة في المستوى المتعامدة مع اتجاه انتشار الموجة ، فإن كمية معينة من الطاقة الكهرومغناطيسية ستتحرك خلالها في وقت قصير. كثافة تدفق الطاقة الكهرومغناطيسية هي مقدار الطاقة التي تحملها الموجة الكهرومغناطيسية عبر سطح لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية. من خلال استبدال قيم السرعة ، وكذلك الطاقة المغناطيسية والكهربائية ، من الممكن الحصول على تعبير لكثافة التدفق من حيث الكميات E و B.

ناقل Poynting - متجه لتدفق طاقة الموجة

نظرًا لأن اتجاه انتشار طاقة الموجة يتزامن مع اتجاه سرعة انتشار الموجة ، يمكن ضبط تدفق الطاقة المنتشر في الموجة الكهرومغناطيسية باستخدام متجه موجه بنفس طريقة سرعة انتشار الموجة. يُطلق على هذا المتجه اسم "ناقل Poynting" - تكريماً للفيزيائي البريطاني هنري بوينتينغ ، الذي طور في عام 1884 نظرية انتشار تدفق الطاقة في مجال كهرومغناطيسي. يتم قياس كثافة تدفق طاقة الموجة بوحدة W / m2.

تضغط الموجات الكهرومغناطيسية على الأجسام التي تعكسها أو تمتصها

عندما يعمل مجال كهربائي على مادة ما ، تظهر فيه تيارات صغيرة ، وهي الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة كهربائيًا. تخضع هذه التيارات في المجال المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية لتأثير قوة الأمبير ، والتي يتم توجيهها في عمق المادة. نتيجة لذلك ، تولد قوة أمبير الضغط.

تم فحص هذه الظاهرة لاحقًا ، في عام 1900 ، وتأكيدها تجريبيًا من قبل الفيزيائي الروسي بيوتر نيكولايفيتش ليبيديف ، الذي كان عمله التجريبي مهمًا جدًا في تأكيد نظرية ماكسويل للكهرومغناطيسية وقبولها والموافقة عليها في المستقبل.

حقيقة أن الموجة الكهرومغناطيسية تمارس الضغط تجعل من الممكن تقدير وجود دفعة ميكانيكية في المجال الكهرومغناطيسي ، والتي يمكن التعبير عنها لكل وحدة حجم من خلال الكثافة الحجمية للطاقة الكهرومغناطيسية وسرعة انتشار الموجة في الفراغ:

نظرًا لأن الزخم مرتبط بحركة الكتلة ، فمن الممكن تقديم مفهوم مثل الكتلة الكهرومغناطيسية ، ومن ثم بالنسبة لحجم الوحدة ، فإن هذه النسبة (وفقًا لـ STR) ستأخذ طابع القانون العالمي للطبيعة وستكون صالحة لأي أجسام مادية بغض النظر عن شكل المادة. ثم يكون المجال الكهرومغناطيسي مشابهًا لجسم مادي - فهو يحتوي على طاقة W ، وكتلة m ، وزخم p ، وسرعة نهائية v. وهذا يعني أن المجال الكهرومغناطيسي هو أحد أشكال المادة الموجودة بالفعل في الطبيعة.

التأكيد النهائي لنظرية ماكسويل

لأول مرة في عام 1888 ، أكد هاينريش هيرتز تجريبياً نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية. أثبت تجريبياً حقيقة الموجات الكهرومغناطيسية ودرس خصائصها مثل الانكسار والامتصاص في الوسائط المختلفة ، وكذلك انعكاس الموجات من الأسطح المعدنية.

يقيس هيرتز الطول الموجي الاشعاع الكهرومغناطيسي، وأظهرت أن سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية تساوي سرعة الضوء. كان عمل هيرتز التجريبي هو الخطوة الأخيرة نحو قبول نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية. بعد سبع سنوات ، في عام 1895 ، استخدم الفيزيائي الروسي ألكسندر ستيبانوفيتش بوبوف الموجات الكهرومغناطيسية لإنشاء اتصالات لاسلكية.

يتم تحفيز الموجات الكهرومغناطيسية فقط عن طريق الشحنات المتحركة المتسارعة

في دارات التيار المباشر ، تتحرك الشحنات بسرعة ثابتة ولا تنبعث الموجات الكهرومغناطيسية في هذه الحالة إلى الفضاء. ولكي يكون هناك إشعاع ، من الضروري استخدام هوائي تكون فيه التيارات المتناوبة ، أي التيارات الذين يغيرون اتجاههم بسرعة ، سيكونون متحمسين.

في أبسط أشكاله ، يكون ثنائي القطب الكهربائي ذو الحجم الصغير مناسبًا لإشعاع الموجات الكهرومغناطيسية حيث تتغير العزم ثنائي القطب بسرعة مع مرور الوقت. يسمى هذا ثنائي القطب اليوم "ثنائي القطب هيرتز" ، وحجمه أصغر بعدة مرات من الطول الموجي الذي ينبعث منه.

عندما ينبعث من ثنائي القطب هيرتز ، يقع الحد الأقصى لتدفق الطاقة الكهرومغناطيسية على مستوى عمودي على محور ثنائي القطب. لا يوجد إشعاع من الطاقة الكهرومغناطيسية على طول محور ثنائي القطب. في أهم تجارب هيرتز ، تم استخدام ثنائيات الأقطاب الأولية لإصدار واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية ، مما يثبت وجود الموجات الكهرومغناطيسية.