Elektromagnetické vlny, elektromagnetické žiarenie, šírenie elektromagnetických vĺn

V roku 1864 James Clerk Maxwell predpovedal možnosť elektromagnetických vĺn vo vesmíre. Tvrdil to na základe záverov odvodených z analýzy všetkých v tom čase známych experimentálnych údajov týkajúcich sa elektriny a magnetizmu.

Maxwell matematicky skombinoval zákony elektrodynamiky, spojil elektrické a magnetické javy, a tak dospel k záveru, že elektrické a magnetické polia, ktoré sa menia s časom, sa navzájom generujú.

Spočiatku zdôrazňoval skutočnosť, že vzťah medzi magnetickými a elektrickými javmi nie je symetrický a zaviedol pojem „vírivé elektrické pole“, pričom ponúkol svoje vlastné, skutočne nové vysvetlenie fenoménu elektromagnetickej indukcie objaveného Faradayom: „každá zmena v magnetickom pole vedie k tomu, že sa v okolitom priestore objaví vírivé elektrické pole s uzavretými siločiarami“.

Podľa Maxwella platí aj opačné tvrdenie, že „meniace sa elektrické pole vytvára magnetické pole v okolitom priestore“, no toto tvrdenie zostalo spočiatku len hypotézou.

Maxwell napísal systém matematických rovníc, ktoré dôsledne opisujú zákony vzájomných premien magnetického a elektrického poľa, tieto rovnice sa neskôr stali základnými rovnicami elektrodynamiky a začali sa nazývať „Maxwellove rovnice“ na počesť veľkého vedca. ich dole. Maxwellova hypotéza založená na napísaných rovniciach má niekoľko záverov, ktoré sú mimoriadne dôležité pre vedu a techniku, ktoré sú uvedené nižšie.

Existujú elektromagnetické vlny

V priestore môžu existovať priečne elektromagnetické vlny, ktoré sa šíria v čase elektromagnetického poľa… To, že vlny sú priečne, ukazuje skutočnosť, že vektory magnetickej indukcie B a intenzity elektrického poľa E sú navzájom kolmé a oba ležia v rovine kolmej na smer šírenia elektromagnetickej vlny.

Elektromagnetické vlny sa šíria konečnou rýchlosťou

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn v danej látke je konečná a je určená elektrickými a magnetickými vlastnosťami látky, ktorou sa vlna šíri. Dĺžka sínusovej vlny λ v tomto prípade súvisí s rýchlosťou υ s určitým presným pomerom λ = υ / f a závisí od frekvencie f kmitov poľa. Rýchlosť c elektromagnetickej vlny vo vákuu je jednou zo základných fyzikálnych konštánt — rýchlosť svetla vo vákuu.

Pretože Maxwell tvrdil, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny je konečná, vznikol tým rozpor medzi jeho hypotézou a vtedy akceptovanou teóriou pôsobenia na veľké vzdialenosti, podľa ktorej mala byť rýchlosť šírenia vĺn nekonečná. Preto sa Maxwellova teória nazýva teória pôsobenia na krátku vzdialenosť.

Elektromagnetická vlna je elektrické a magnetické pole, ktoré sa navzájom premieňajú.

V elektromagnetickom vlnení dochádza súčasne k premene elektrického poľa a magnetického poľa na seba, preto sú objemové hustoty magnetickej a elektrickej energie navzájom rovnaké.Preto platí, že moduly sila elektrického poľa a indukcia magnetického poľa sú vo vzájomnom vzťahu v akomkoľvek bode priestoru prostredníctvom nasledujúceho spojenia:

Elektromagnetické vlny prenášajú energiu

Elektromagnetická vlna v procese svojho šírenia vytvára tok elektromagnetickej energie a ak vezmeme do úvahy plochu v rovine kolmej na smer šírenia vlny, potom sa ňou bude pohybovať určité množstvo elektromagnetickej energie v krátka doba. Hustota toku elektromagnetickej energie je množstvo energie prenášanej elektromagnetickou vlnou cez povrch na jednotku plochy za jednotku času. Nahradením hodnôt rýchlosti, ako aj magnetickej a elektrickej energie je možné získať vyjadrenie hustoty toku z hľadiska veličín E a B.

Poyntingov vektor — vektor energetického toku vlny

Keďže smer šírenia energie vlny sa zhoduje so smerom rýchlosti šírenia vlny, tok energie šíriaci sa v elektromagnetickej vlne je možné nastaviť pomocou vektora smerovaného rovnako ako rýchlosť šírenia vlny. Tento vektor sa nazýva «Poyntingov vektor» — na počesť britského fyzika Henryho Poyntinga, ktorý v roku 1884 vypracoval teóriu šírenia toku energie elektromagnetického poľa. Hustota toku energie vĺn sa meria vo W/m2.

Elektromagnetické vlny tlačia na telesá, ktoré ich odrážajú alebo pohlcujú

Keď na látku pôsobí elektrické pole, objavujú sa v nej malé prúdy, ktoré sú usporiadaným pohybom elektricky nabitých častíc. Tieto prúdy v magnetickom poli elektromagnetickej vlny sú vystavené pôsobeniu ampérovej sily, ktorá smeruje hlboko do látky. V dôsledku toho ampérova sila vytvára tlak.

Tento jav neskôr, v roku 1900, skúmal a empiricky potvrdil ruský fyzik Piotr Nikolajevič Lebedev, ktorého experimentálne práce boli veľmi dôležité pre potvrdenie Maxwellovej teórie elektromagnetizmu a jej prijatie a schválenie v budúcnosti.

Skutočnosť, že elektromagnetická vlna pôsobí tlakom, umožňuje odhadnúť prítomnosť mechanického impulzu v elektromagnetickom poli, ktorý možno na jednotku objemu vyjadriť objemovou hustotou elektromagnetickej energie a rýchlosťou šírenia vlny vo vákuu:

Keďže hybnosť súvisí s pohybom hmoty, je možné zaviesť taký pojem ako elektromagnetická hmota a potom pre jednotkový objem tento pomer (v súlade s STR) nadobudne charakter univerzálneho prírodného zákona a bude platiť pre akékoľvek hmotné telá bez ohľadu na formu hmoty. Potom je elektromagnetické pole podobné hmotnému telesu – má energiu W, hmotnosť m, hybnosť p a konečnú rýchlosť v. To znamená, že elektromagnetické pole je jednou z foriem hmoty skutočne existujúcej v prírode.

Konečné potvrdenie Maxwellovej teórie

Prvýkrát v roku 1888 Heinrich Hertz experimentálne potvrdil Maxwellovu elektromagnetickú teóriu. Empiricky dokázal realitu elektromagnetických vĺn a študoval ich vlastnosti ako lom a absorpciu v rôznych prostrediach, ako aj odraz vĺn od kovových povrchov.

Hertz meria vlnovú dĺžku elektromagnetická radiáciaa ukázali, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny sa rovná rýchlosti svetla. Hertzova experimentálna práca bola posledným krokom k prijatiu Maxwellovej elektromagnetickej teórie. O sedem rokov neskôr, v roku 1895, použil ruský fyzik Alexander Stepanovič Popov elektromagnetické vlny na vytvorenie bezdrôtovej komunikácie.

Elektromagnetické vlny sú excitované iba zrýchlenými pohybmi nábojov

V jednosmerných obvodoch sa náboje pohybujú konštantnou rýchlosťou a elektromagnetické vlny sa v tomto prípade nevyžarujú do priestoru.Na to, aby došlo k vyžarovaniu, je potrebné použiť anténu, v ktorej sú striedavé prúdy, teda prúdy ktorí rýchlo zmenili svoj smer, boli by nadšení.

Vo svojej najjednoduchšej forme je elektrický dipól malej veľkosti vhodný na vyžarovanie elektromagnetických vĺn, kde by sa dipólový moment s časom rýchlo menil. Takýto dipól sa dnes nazýva „hertzovský dipól“, ktorého veľkosť je niekoľkonásobne menšia ako vlnová dĺžka, ktorú vyžaruje.

Pri vyžarovaní z Hertzovho dipólu dopadá maximálny tok elektromagnetickej energie na rovinu kolmú na os dipólu. Pozdĺž osi dipólu nedochádza k vyžarovaniu elektromagnetickej energie. V najvýznamnejších Hertzových experimentoch boli elementárne dipóly použité na vysielanie aj prijímanie elektromagnetických vĺn, čo dokazuje existenciu elektromagnetických vĺn.