Ones electromagnètiques, radiació electromagnètica, propagació d'ones electromagnètiques

El 1864, James Clerk Maxwell va predir la possibilitat de les ones electromagnètiques a l'espai. Va fer aquesta afirmació a partir de les conclusions derivades de l'anàlisi de totes les dades experimentals conegudes en aquell moment sobre electricitat i magnetisme.

Maxwell va combinar matemàticament les lleis de l'electrodinàmica, connectant els fenòmens elèctrics i magnètics, i així va arribar a la conclusió que els camps elèctrics i magnètics, que canvien amb el temps, es generen mútuament.

Inicialment, va destacar el fet que la relació entre els fenòmens magnètics i elèctrics no és simètrica i va introduir el terme "camp elèctric remolí", oferint la seva pròpia i veritablement nova explicació del fenomen de la inducció electromagnètica descobert per Faraday: "cada canvi en el magnètic". camp condueix a l'aparició a l'espai circumdant d'un camp elèctric de vòrtex amb línies de força tancades".

Segons Maxwell, l'afirmació oposada que "un camp elèctric canviant produeix un camp magnètic a l'espai circumdant" també és certa, però aquesta afirmació inicialment va romandre només una hipòtesi.

Maxwell va escriure un sistema d'equacions matemàtiques que descriuen constantment les lleis de transformacions mútues dels camps magnètic i elèctric, aquestes equacions es van convertir més tard en les equacions bàsiques de l'electrodinàmica i van començar a anomenar-se "equacions de Maxwell" en honor al gran científic que va escriure. ells avall. La hipòtesi de Maxwell, basada en les equacions escrites, té diverses conclusions que són extremadament importants per a la ciència i la tecnologia, que es presenten a continuació.

Les ones electromagnètiques existeixen

A l'espai poden existir ones electromagnètiques transversals que es propaguen al llarg del temps camp electromagnètic… El fet que les ones siguin transversals es demostra pel fet que els vectors de la inducció magnètica B i la intensitat del camp elèctric E són mútuament perpendiculars i tots dos es troben en el pla perpendicular a la direcció de propagació de l'ona electromagnètica.

Les ones electromagnètiques es propaguen a una velocitat finita

La velocitat de propagació de les ones electromagnètiques en una substància determinada és finita i està determinada per les propietats elèctriques i magnètiques de la substància a través de la qual es propaga l'ona. La longitud de l'ona sinusoïdal λ en aquest cas està relacionada amb la velocitat υ amb una certa relació exacta λ = υ / f i depèn de la freqüència f de les oscil·lacions del camp. La velocitat c d'una ona electromagnètica en el buit és una de les constants físiques bàsiques: la velocitat de la llum en el buit.

Com que Maxwell va afirmar que la velocitat de propagació d'una ona electromagnètica era finita, això va crear una contradicció entre la seva hipòtesi i la teoria de l'acció a llargues distàncies acceptada en aquell moment, segons la qual se suposava que la velocitat de propagació de les ones era infinita. Per tant, la teoria de Maxwell s'anomena teoria de l'acció a curt abast.

Una ona electromagnètica és un camp elèctric i magnètic que es transformen mútuament.

En l'ona electromagnètica, la transformació del camp elèctric i del camp magnètic es produeix al mateix temps, per tant, les densitats de volum de l'energia magnètica i elèctrica són iguals entre elles. Per tant, és cert que els mòduls de l'ona electromagnètica La intensitat del camp elèctric i la inducció del camp magnètic estan relacionades entre si en qualsevol punt de l'espai mitjançant la connexió següent:

Les ones electromagnètiques transporten energia

Una ona electromagnètica en el procés de propagació crea un flux d'energia electromagnètica, i si tenim en compte l'àrea del pla perpendicular a la direcció de propagació de l'ona, llavors una certa quantitat d'energia electromagnètica es mourà a través d'ella en un temps curt. La densitat de flux d'energia electromagnètica és la quantitat d'energia transportada per una ona electromagnètica a través d'una superfície per unitat d'àrea per unitat de temps. Substituint els valors de la velocitat, així com l'energia magnètica i elèctrica, és possible obtenir una expressió de la densitat de flux en termes de les magnituds E i B.

Poynting vector — vector del flux d'energia de l'ona

Com que la direcció de propagació de l'energia de l'ona coincideix amb la direcció de la velocitat de propagació de l'ona, el flux d'energia que es propaga en l'ona electromagnètica es pot establir mitjançant un vector dirigit de la mateixa manera que la velocitat de propagació de l'ona. Aquest vector s'anomena "vector de Poynting" - en honor al físic britànic Henry Poynting, que el 1884 va desenvolupar la teoria de la propagació del flux d'energia d'un camp electromagnètic. La densitat de flux d'energia ondulatòria es mesura en W/m2.

Les ones electromagnètiques pressionen contra els cossos que les reflecteixen o absorbeixen

Quan un camp elèctric actua sobre una substància, hi apareixen petits corrents, que són el moviment ordenat de partícules carregades elèctricament. Aquests corrents en el camp magnètic d'una ona electromagnètica estan sotmesos a l'acció de la força Ampere, que es dirigeix ​​profundament a la substància. Com a resultat, la força d'Ampere genera pressió.

Aquest fenomen fou posteriorment, l'any 1900, investigat i confirmat empíricament pel físic rus Pyotr Nikolayevich Lebedev, el treball experimental del qual va ser molt important per confirmar la teoria de l'electromagnetisme de Maxwell i la seva acceptació i aprovació en el futur.

El fet que l'ona electromagnètica exerceixi pressió permet estimar la presència d'un impuls mecànic en el camp electromagnètic, que es pot expressar per unitat de volum per la densitat volumètrica d'energia electromagnètica i la velocitat de propagació de l'ona en el buit:

Com que l'impuls està relacionat amb el moviment de la massa, és possible introduir un concepte com la massa electromagnètica, i llavors per a una unitat de volum aquesta relació (d'acord amb STR) assumirà el caràcter d'una llei universal de la naturalesa i serà vàlida. per a qualsevol cos material independentment de la forma de la matèria. Aleshores, el camp electromagnètic és similar a un cos material: té energia W, massa m, moment p i velocitat terminal v. És a dir, el camp electromagnètic és una de les formes de matèria que realment existeixen a la natura.

Confirmació final de la teoria de Maxwell

Per primera vegada el 1888, Heinrich Hertz va confirmar experimentalment la teoria electromagnètica de Maxwell. Va demostrar empíricament la realitat de les ones electromagnètiques i va estudiar les seves propietats com la refracció i l'absorció en diversos mitjans, així com la reflexió de les ones de superfícies metàl·liques.

Hertz mesura la longitud d'ona radiació electromagnètica, i va demostrar que la velocitat de propagació d'una ona electromagnètica és igual a la velocitat de la llum. El treball experimental de Hertz va ser el pas final cap a l'acceptació de la teoria electromagnètica de Maxwell. Set anys més tard, el 1895, el físic rus Alexander Stepanovich Popov va utilitzar ones electromagnètiques per crear una comunicació sense fil.

Les ones electromagnètiques només són excitades per càrregues en moviment accelerats

En els circuits de corrent continu, les càrregues es mouen a velocitat constant i les ones electromagnètiques en aquest cas no s'emeten a l'espai.Per tal que hi hagi radiació cal utilitzar una antena en la qual els corrents alterns, és a dir, corrents. que ràpidament canviaven de direcció, s'emocionaria.

En la seva forma més simple, un dipol elèctric de mida petita és adequat per a radiar ones electromagnètiques on el moment dipolar canviaria ràpidament amb el temps. Aquest dipol s'anomena avui "dipol hertzià", la mida del qual és diverses vegades més petita que la longitud d'ona que emet.

Quan s'emet des d'un dipol hertzià, el flux màxim d'energia electromagnètica cau en un pla perpendicular a l'eix del dipol. No hi ha radiació d'energia electromagnètica al llarg de l'eix del dipol. En els experiments més importants d'Hertz, es van utilitzar dipols elementals per emetre i rebre ones electromagnètiques, demostrant l'existència d'ones electromagnètiques.