امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا امواج الکترومغناطیسی چیست؟

امواج الکترومغناطیسی، طبق علم فیزیک، از مرموزترین امواج هستند. در آنها، انرژی در واقع در هیچ جا ناپدید می شود، و از ناکجاآباد ظاهر می شود. چنین شی دیگری در کل علم وجود ندارد. چگونه این همه تحولات متقابل شگفت انگیز اتفاق می افتد؟

الکترودینامیک ماکسول

همه چیز با این واقعیت شروع شد که دانشمند ماکسول در سال 1865، بر اساس کار فارادی، معادله الکتریکی را استخراج کرد. میدان مغناطیسی. خود ماکسول معتقد بود که معادلات او پیچش و کشش امواج در اتر را توصیف می کند. بیست و سه سال بعد، هرتز به طور تجربی چنین اختلالاتی را در محیط ایجاد کرد و نه تنها می‌توان آن‌ها را با معادلات الکترودینامیک تطبیق داد، بلکه قوانین حاکم بر انتشار این اختلالات را نیز به دست آورد. گرایش عجیبی به وجود آمده است تا هرگونه اختلالی که ماهیت الکترومغناطیسی دارد را امواج هرتزی اعلام کنیم. با این حال، این تشعشعات تنها راه انتقال انرژی نیستند.

اتصال بیسیم

تا به امروز، به گزینه های ممکناجرای چنین ارتباطات بی سیم عبارتند از:

کوپلینگ الکترواستاتیک که کوپلینگ خازنی نیز نامیده می شود.

القاء؛

جاری؛

جفت شدن تسلا، یعنی جفت شدن امواج چگالی الکترونی در امتداد سطوح رسانا.

گسترده ترین طیف متداول ترین حامل ها، که امواج الکترومغناطیسی نامیده می شوند - از فرکانس های بسیار کم تا تابش گاما.

شایان ذکر است که این نوع ارتباطات را با جزئیات بیشتری در نظر بگیرید.

کوپلینگ الکترواستاتیک

دو دو قطبی نیروهای الکتریکی جفت شده در فضا هستند که نتیجه قانون کولن است. این نوع ارتباط با امواج الکترومغناطیسی در توانایی آن برای اتصال دوقطبی ها زمانی که در یک خط قرار دارند، متفاوت است. با افزایش فاصله، استحکام اتصال از بین می رود و تأثیر شدید تداخل های مختلف نیز مشاهده می شود.

کوپلینگ القایی

بر اساس میدان های مغناطیسی نشت اندوکتانس. بین اجسامی که اندوکتانس دارند مشاهده می شود. استفاده از آن به دلیل برد کوتاه آن کاملاً محدود است.

ارتباط فعلی

به دلیل پخش شدن جریان در یک محیط رسانا، برهمکنش خاصی ممکن است رخ دهد. اگر جریان ها از پایانه ها (یک جفت کنتاکت) عبور کنند، می توان همین جریان ها را در فاصله قابل توجهی از کنتاکت ها تشخیص داد. این همان چیزی است که اثر گسترش جریان نامیده می شود.

اتصال تسلا

فیزیکدان معروف نیکولا تسلا ارتباطات را با استفاده از امواج روی سطح رسانا اختراع کرد. اگر در جایی از هواپیما چگالی حامل بار مختل شود، این حامل ها شروع به حرکت می کنند که تمایل به بازگرداندن تعادل دارند. از آنجایی که حامل ها ماهیت اینرسی دارند، بازیابی ماهیت موجی دارد.

ارتباط الکترومغناطیسی

انتشار امواج الکترومغناطیسی اثر دوربرد زیادی دارد، زیرا دامنه آنها با فاصله تا منبع نسبت معکوس دارد. این روش ارتباط بی سیم است که بسیار رایج شده است. اما امواج الکترومغناطیسی چیست؟ برای شروع، لازم است یک گشت و گذار کوتاه در تاریخ کشف آنها انجام دهیم.

امواج الکترومغناطیسی چگونه "ظاهر می شوند"؟

همه چیز در سال 1829 آغاز شد، زمانی که هنری فیزیکدان آمریکایی در آزمایشات با شیشه های لیدن، اختلالاتی را در تخلیه الکتریکی کشف کرد. در سال 1832، فارادی، فیزیکدان، وجود فرآیندی مانند امواج الکترومغناطیسی را پیشنهاد کرد. ماکسول معادلات معروف خود را در مورد الکترومغناطیس در سال 1865 ایجاد کرد. در پایان قرن نوزدهم تلاش های موفقیت آمیزی برای ایجاد ارتباطات بی سیم با استفاده از القای الکترواستاتیک و الکترومغناطیسی انجام شد. مخترع معروف ادیسون سیستمی ابداع کرد که به مسافران اجازه می داد راه آهندر هنگام حرکت قطار مستقیماً تلگرام ارسال و دریافت کنید. در سال 1888، G. Hertz به صراحت ثابت کرد که امواج الکترومغناطیسی با استفاده از دستگاهی به نام ویبراتور ظاهر می شوند. هرتز آزمایشی را در انتقال سیگنال الکترومغناطیسی از فاصله دور انجام داد. در سال 1890، مهندس و فیزیکدان برانلی از فرانسه دستگاهی برای ثبت تشعشعات الکترومغناطیسی اختراع کرد. پس از آن، این دستگاه "رسانای رادیویی" (Coherer) نامیده شد. در سالهای 1891-1893، نیکولا تسلا اصول اولیه انتقال سیگنال در فواصل طولانی را تشریح کرد و یک آنتن دکل را که منبع امواج الکترومغناطیسی بود به ثبت رساند. دستاوردهای بیشتر در مطالعه امواج و اجرای فنی تولید و کاربرد آنها متعلق به فیزیکدانان و مخترعان مشهوری مانند Popov، Marconi، de More، Lodge، Muirhead و بسیاری دیگر است.

مفهوم "موج الکترومغناطیسی"

موج الکترومغناطیسی پدیده ای است که در فضا با سرعت محدود مشخصی منتشر می شود و نشان دهنده یک میدان الکتریکی و مغناطیسی متناوب است. از آنجایی که میدان های مغناطیسی و الکتریکی به طور جدایی ناپذیری با یکدیگر مرتبط هستند، یک میدان الکترومغناطیسی تشکیل می دهند. همچنین می توان گفت که موج الکترومغناطیسی یک اختلال در میدان است و طبق الکترودینامیک ماکسول، در حین انتشار، انرژی میدان مغناطیسی به انرژی میدان الکتریکی تبدیل می شود و بالعکس. از نظر ظاهری، این شبیه به انتشار هر موج دیگری در هر رسانه دیگر است، اما تفاوت های قابل توجهی وجود دارد.

تفاوت امواج الکترومغناطیسی با سایر امواج چیست؟

انرژی امواج الکترومغناطیسی در محیط نسبتاً عجیبی منتشر می شود. برای مقایسه این امواج و سایر امواج، لازم است بفهمیم که در مورد چه نوع رسانه انتشار صحبت می کنیم. فرض بر این است که فضای درون اتمی توسط اتر الکتریکی پر شده است - یک محیط خاص که یک دی الکتریک مطلق است. همه امواج در طول انتشار، انتقال انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل را نشان می دهند و بالعکس. علاوه بر این، این انرژی‌ها حداکثر در زمان و مکان نسبت به یکدیگر به اندازه یک چهارم دوره موج کامل جابجا شده‌اند. انرژی موج متوسط، که مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی است، یک مقدار ثابت است. اما در مورد امواج الکترومغناطیسی وضعیت متفاوت است. انرژی هر دو میدان مغناطیسی و الکتریکی به طور همزمان به حداکثر مقدار خود می رسد.

موج الکترومغناطیسی چگونه به وجود می آید؟

ماده یک موج الکترومغناطیسی یک میدان الکتریکی (اتر) است. میدان متحرک ساختاری دارد و از انرژی حرکت آن و انرژی الکتریکی خود میدان تشکیل شده است. بنابراین انرژی پتانسیل موج با انرژی جنبشی مرتبط بوده و در فاز است. ماهیت موج الکترومغناطیسی یک میدان الکتریکی تناوبی است که در حالت حرکت انتقالی در فضا است و با سرعت نور حرکت می کند.

جریان های تعصب

راه دیگری برای توضیح اینکه امواج الکترومغناطیسی چیست وجود دارد. فرض بر این است که جریان های جابجایی در اتر زمانی ایجاد می شوند که میدان های الکتریکی ناهمگن حرکت می کنند. آنها به طور طبیعی فقط برای یک ناظر بیرونی ثابت به وجود می آیند. در لحظه ای که پارامتری مانند شدت میدان الکتریکی به حداکثر خود می رسد، جریان جابجایی در یک نقطه معین از فضا متوقف می شود. بر این اساس، با حداقل کشش، تصویر مخالف به دست می آید. این رویکرد ماهیت موجی تابش الکترومغناطیسی را روشن می کند، زیرا انرژی میدان الکتریکی با توجه به جریان های جابجایی یک چهارم دوره جابجا می شود. سپس می توان گفت که اغتشاش الکتریکی یا بهتر بگوییم انرژی اغتشاش به انرژی جریان جابجایی و بالعکس تبدیل می شود و به صورت موجی در محیط دی الکتریک منتشر می شود.

M. Faraday مفهوم میدان را معرفی کرد:

یک میدان الکترواستاتیک در اطراف یک بار ثابت ایجاد می شود،

یک میدان مغناطیسی در اطراف بارهای متحرک (جریان) ایجاد می شود.

در سال 1830، M. Faraday پدیده القای الکترومغناطیسی را کشف کرد: هنگامی که میدان مغناطیسی تغییر می کند، یک میدان الکتریکی گرداب ظاهر می شود.

شکل 2.7 - میدان الکتریکی گرداب

جایی که،
- بردار قدرت میدان الکتریکی،
- بردار القای مغناطیسی.

یک میدان مغناطیسی متناوب یک میدان الکتریکی گردابی ایجاد می کند.

در سال 1862 D.K. ماکسول یک فرضیه را مطرح کرد: وقتی میدان الکتریکی تغییر می کند، یک میدان مغناطیسی گردابی ظاهر می شود.

ایده یک میدان الکترومغناطیسی واحد بوجود آمد.

شکل 2.8 - میدان الکترومغناطیسی یکپارچه.

یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی گردابی ایجاد می کند.

میدان الکترومغناطیسی- این شکل خاصی از ماده است - ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی. میدان های الکتریکی و مغناطیسی متناوب به طور همزمان وجود دارند و یک میدان الکترومغناطیسی واحد را تشکیل می دهند. مادی است:

خود را در عمل بر روی بارهای ثابت و متحرک نشان می دهد.

با سرعت بالا اما محدود پخش می شود.

بدون توجه به اراده و خواسته ما وجود دارد.

وقتی سرعت شارژ صفر است، فقط یک میدان الکتریکی وجود دارد. با سرعت شارژ ثابت، میدان الکترومغناطیسی ایجاد می شود.

با حرکت شتاب دار یک بار، موج الکترومغناطیسی ساطع می شود که با سرعت محدودی در فضا منتشر می شود. .

توسعه ایده امواج الکترومغناطیسی متعلق به ماکسول است ، اما فارادی قبلاً وجود آنها را حدس زده بود ، اگرچه از انتشار این اثر می ترسید (بیش از 100 سال پس از مرگ او خوانده شد).

شرط اصلی برای وقوع موج الکترومغناطیسی، حرکت شتابان بارهای الکتریکی است.

با استفاده از مثال زیر می توان به راحتی موج الکترومغناطیسی را نشان داد. اگر سنگریزه ای را روی سطح آب بیندازید، امواج روی سطح ایجاد می شود و به صورت دایره ای پخش می شوند. آنها از مبدأ (اختلال) خود با سرعت انتشار مشخصی حرکت می کنند. برای امواج الکترومغناطیسی، اختلالات میدان های الکتریکی و مغناطیسی هستند که در فضا حرکت می کنند. یک میدان الکترومغناطیسی که در طول زمان تغییر می کند، لزوماً باعث ظهور یک میدان مغناطیسی متناوب می شود و بالعکس. این رشته ها به هم مرتبط هستند.

منبع اصلی طیف امواج الکترومغناطیسی ستاره خورشید است. بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی با چشم انسان قابل مشاهده است. این طیف در محدوده 380...780 نانومتر قرار دارد (شکل 2.1). در طیف مرئی، چشم نور را متفاوت حس می کند. ارتعاشات الکترومغناطیسی با طول موج های مختلف باعث احساس نور با رنگ های مختلف می شود.

شکل 2.9 - طیف امواج الکترومغناطیسی

بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی برای اهداف رادیویی تلویزیون و ارتباطات استفاده می شود. منبع امواج الکترومغناطیسی یک سیم (آنتن) است که بارهای الکتریکی در آن نوسان می کنند. فرآیند تشکیل میدان که از نزدیک سیم آغاز شد، به تدریج، نقطه به نقطه، کل فضا را در بر می گیرد. هرچه فرکانس جریان متناوب عبوری از سیم و ایجاد میدان الکتریکی یا مغناطیسی بیشتر باشد، امواج رادیویی با طول معینی که توسط سیم ایجاد می‌شود، شدیدتر می‌شود.

رادیو(lat. radio - radiate, emit rays ← radius - ray) - نوعی ارتباط بی سیم که در آن امواج رادیویی که آزادانه در فضا منتشر می شوند به عنوان حامل سیگنال استفاده می شود.

امواج رادیویی(از رادیو...)، امواج الکترومغناطیسی با طول موج > 500 میکرومتر (فرکانس)< 6×10 12 Гц).

امواج رادیویی میدان های الکتریکی و مغناطیسی هستند که در طول زمان تغییر می کنند. سرعت انتشار امواج رادیویی در فضای آزاد 300000 کیلومتر بر ثانیه است. از این طریق می توان طول موج رادیویی (m) را تعیین کرد.

λ=300/f، Wheref - فرکانس (MHz)

ارتعاشات صوتی در هوا که در طول مکالمه تلفنی ایجاد می شود توسط یک میکروفون به ارتعاشات الکتریکی فرکانس صدا تبدیل می شود که از طریق سیم به تجهیزات مشترک منتقل می شود. در آنجا، در انتهای دیگر خط، آنها با استفاده از فرستنده تلفن، به ارتعاشات هوا تبدیل می شوند که توسط مشترک به عنوان صدا درک می شود. در تلفن، وسایل ارتباطی مدار سیم است، در پخش رادیویی - امواج رادیویی.

"قلب" فرستنده هر ایستگاه رادیویی یک ژنراتور است - دستگاهی که نوسانات فرکانس بالا اما کاملاً ثابت را برای یک ایستگاه رادیویی معین تولید می کند. این نوسانات فرکانس رادیویی که به توان مورد نیاز تقویت شده اند، وارد آنتن می شوند و نوسانات الکترومغناطیسی دقیقاً با همان فرکانس - امواج رادیویی - را در فضای اطراف آن تحریک می کنند. سرعت امواج رادیویی در حال دور شدن از آنتن ایستگاه رادیویی برابر با سرعت نور است: 300000 کیلومتر بر ثانیه، که تقریباً یک میلیون برابر سریعتر از انتشار صوت در هوا است. این بدان معنی است که اگر فرستنده در یک نقطه از زمان مشخص در ایستگاه پخش مسکو روشن شود، امواج رادیویی آن در کمتر از 1/30 ثانیه به ولادی وستوک می‌رسند و صدا در این مدت زمان پخش شدن تنها 10- را خواهد داشت. 11 متر

امواج رادیویی نه تنها در هوا، بلکه در جاهایی که هوا وجود ندارد، به عنوان مثال، در فضای بیرونی منتشر می شوند. این آنها را از امواج صوتی متمایز می کند، که مطلقاً به هوا یا سایر رسانه های متراکم مانند آب نیاز دارند.

موج الکترومغناطیسی - انتشار میدان الکترومغناطیسی در فضا (نوسانات بردارها
). در نزدیکی بار، میدان های الکتریکی و مغناطیسی با تغییر فاز p/2 تغییر می کنند.

شکل 2.10 - میدان الکترومغناطیسی یکپارچه.

در فاصله زیاد از بار، میدان های الکتریکی و مغناطیسی در فاز تغییر می کنند.

شکل 2.11 - تغییر فاز در میدان های الکتریکی و مغناطیسی.

موج الکترومغناطیسی عرضی است. جهت سرعت موج الکترومغناطیسی با جهت حرکت پیچ سمت راست هنگام چرخاندن دستگیره گیملت بردار منطبق است. به بردار .

شکل 2.12 - موج الکترومغناطیسی.

علاوه بر این، در یک موج الکترومغناطیسی این رابطه ارضا می شود
، که در آن c سرعت نور در خلاء است.

ماکسول از نظر تئوری انرژی و سرعت امواج الکترومغناطیسی را محاسبه کرد.

بدین ترتیب، انرژی موج با توان چهارم فرکانس نسبت مستقیم دارد. این بدان معناست که برای تشخیص آسانتر موج، باید فرکانس بالایی داشته باشد.

امواج الکترومغناطیسی توسط G. Hertz (1887) کشف شد.

مدار نوسانی بسته امواج الکترومغناطیسی ساطع نمی کند: تمام انرژی میدان الکتریکی خازن به انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ تبدیل می شود. فرکانس نوسان توسط پارامترهای مدار نوسانی تعیین می شود:
.

شکل 2.13 - مدار نوسانی.

برای افزایش فرکانس، باید L و C را کاهش داد، یعنی. سیم پیچ را به یک سیم مستقیم باز کنید و چون
، مساحت صفحات را کاهش دهید و آنها را تا حداکثر فاصله از هم جدا کنید. از این طریق می توان دریافت که اساساً یک هادی مستقیم خواهیم داشت.

به چنین وسیله ای ویبراتور هرتز می گویند. وسط برش خورده و به یک ترانسفورماتور فرکانس بالا وصل شده است. بین انتهای سیم هایی که هادی های توپ کوچک روی آن ها ثابت شده اند، یک جرقه الکتریکی می پرد که منبع موج الکترومغناطیسی است. موج منتشر می شود به طوری که بردار شدت میدان الکتریکی در صفحه ای که هادی در آن قرار دارد نوسان می کند.

شکل 2.14 - ویبراتور هرتز.

اگر همان هادی (آنتن) را به موازات امیتر قرار دهید، بارهای موجود در آن شروع به نوسان می کنند و جرقه های ضعیف بین هادی ها می پرند.

هرتز امواج الکترومغناطیسی را به صورت تجربی کشف کرد و سرعت آنها را اندازه گیری کرد که با محاسبه ماکسول مطابقت داشت و برابر با c = 3 بود. 10 8 متر بر ثانیه.

یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می کند که به نوبه خود یک میدان الکتریکی متناوب ایجاد می کند، یعنی آنتنی که یکی از میدان ها را تحریک می کند باعث ظهور یک میدان الکترومغناطیسی واحد می شود. مهمترین خاصیت این میدان انتشار آن به صورت امواج الکترومغناطیسی است.

سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در یک محیط بدون تلفات به نفوذپذیری نسبی دی الکتریک و مغناطیسی محیط بستگی دارد. برای هوا، نفوذپذیری مغناطیسی محیط برابر با وحدت است، بنابراین، سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در این حالت برابر با سرعت نور است.

آنتن می تواند یک سیم عمودی باشد که توسط یک ژنراتور فرکانس بالا تغذیه می شود. ژنراتور انرژی را صرف سرعت بخشیدن به حرکت الکترون های آزاد در هادی می کند و این انرژی به یک میدان الکترومغناطیسی متناوب یعنی امواج الکترومغناطیسی تبدیل می شود. هر چه فرکانس جریان ژنراتور بیشتر باشد، میدان الکترومغناطیسی سریع‌تر تغییر می‌کند و شدت التیام امواج بیشتر می‌شود.

در ارتباط با سیم آنتن، هم یک میدان الکتریکی وجود دارد که خطوط نیروی آن با بارهای مثبت شروع و به بارهای منفی ختم می شود، و هم یک میدان مغناطیسی که خطوط آن در اطراف جریان سیم بسته می شود. هر چه دوره نوسان کوتاه تر باشد، زمان کمتری برای بازگشت انرژی میدان های محدود به سیم (یعنی به ژنراتور) باقی می ماند و بیشتر به میدان های آزاد تبدیل می شود که بیشتر به صورت امواج الکترومغناطیسی منتشر می شوند. تابش موثر امواج الکترومغناطیسی در شرایطی رخ می دهد که طول موج و طول سیم ساطع کننده متناسب باشد.

بنابراین، می توان تعیین کرد که موج رادیویی- این یک میدان الکترومغناطیسی است که با دستگاه های امیتر و کانال ساز مرتبط نیست و آزادانه در فضا به شکل موجی با فرکانس نوسان از 10 -3 تا 10 12 هرتز منتشر می شود.

نوسانات الکترون ها در آنتن توسط یک منبع emf به طور دوره ای متغیر با یک دوره ایجاد می شود. تی. اگر در لحظه ای میدان در آنتن بود حداکثر مقدار، پس از مدتی به همین معنی خواهد بود تی. در طول این مدت، میدان الکترومغناطیسی که در ابتدا در آنتن وجود داشت، فاصله‌ای را طی می‌کند

λ = υТ (1)

حداقل فاصله بین دو نقطه در فضایی که میدان دارای مقدار یکسان است نامیده می شود طول موجبه شرح زیر از (1)، طول موج λ به سرعت انتشار آن و دوره نوسان الکترون ها در آنتن بستگی دارد. زیرا فرکانسجاری f = 1/T، سپس طول موج λ = υ / f .

پیوند رادیویی شامل بخش های اصلی زیر است:

فرستنده

گیرنده

محیطی که امواج رادیویی در آن منتشر می شوند.

فرستنده و گیرنده عناصر قابل کنترل یک پیوند رادیویی هستند، زیرا می توانید قدرت فرستنده را افزایش دهید، آنتن کارآمدتری را متصل کنید و حساسیت گیرنده را افزایش دهید. رسانه یک عنصر کنترل نشده از پیوند رادیویی است.

تفاوت خط ارتباط رادیویی با خطوط سیمی در این است که در خطوط سیمی از سیم ها یا کابل هایی که المان های قابل کنترل هستند (می توانید پارامترهای الکتریکی آنها را تغییر دهید) به عنوان لینک اتصال استفاده می شود.

بسیاری از الگوهای فرآیندهای موجی ماهیت جهانی دارند و برای امواج با ماهیت متفاوت به یک اندازه معتبر هستند: امواج مکانیکی در یک محیط الاستیک، امواج روی سطح آب، در یک رشته کشیده و غیره. امواج الکترومغناطیسی که فرآیند انتشار هستند. نوسانات میدان الکترومغناطیسی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. اما بر خلاف انواع دیگر امواج، که انتشار آنها در برخی از محیط های مادی رخ می دهد، امواج الکترومغناطیسی می توانند در فضای خالی منتشر شوند: برای انتشار میدان های الکتریکی و مغناطیسی به هیچ محیط مادی نیاز نیست. با این حال، امواج الکترومغناطیسی می توانند نه تنها در خلاء، بلکه در ماده نیز وجود داشته باشند.

پیش بینی امواج الکترومغناطیسیوجود امواج الکترومغناطیسی به طور نظری توسط ماکسول در نتیجه تجزیه و تحلیل سیستم پیشنهادی معادلات او که میدان الکترومغناطیسی را توصیف می کند، پیش بینی کرد. ماکسول نشان داد که میدان الکترومغناطیسی در خلاء می تواند در غیاب منابع وجود داشته باشد - بارها و جریان ها. یک میدان بدون منبع به شکل امواجی است که با سرعت محدود سانتی‌متر بر ثانیه منتشر می‌شوند که در آن بردارهای میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در هر لحظه از زمان در هر نقطه از فضا عمود بر یکدیگر و عمود بر جهت هستند. انتشار امواج

امواج الکترومغناطیسی تنها 10 سال پس از مرگ ماکسول توسط هرتز به طور تجربی کشف و مورد مطالعه قرار گرفت.

ویبراتور را باز کنید.برای درک اینکه چگونه امواج الکترومغناطیسی را می توان به صورت تجربی به دست آورد، یک مدار نوسانی "باز" ​​را در نظر بگیرید که در آن صفحات خازن از هم دور می شوند (شکل 176) و بنابراین میدان الکتریکی فضای زیادی را اشغال می کند. با افزایش فاصله بین صفحات، ظرفیت C خازن کاهش می یابد و مطابق با فرمول تامسون، فرکانس نوسانات طبیعی افزایش می یابد. اگر سلف را نیز با یک تکه سیم جایگزین کنید، اندوکتانس کاهش می یابد و فرکانس نوسانات طبیعی حتی بیشتر می شود. در این صورت، نه تنها میدان الکتریکی، بلکه میدان مغناطیسی نیز که قبلاً در داخل سیم پیچ وجود داشت، اکنون فضای وسیعی از فضای پوشاننده این سیم را اشغال خواهد کرد.

افزایش فرکانس نوسان در مدار، و همچنین افزایش ابعاد خطی آن، منجر به این واقعیت می شود که دوره طبیعی

نوسانات با زمان انتشار میدان الکترومغناطیسی در طول کل مدار قابل مقایسه است. این بدان معنی است که فرآیندهای نوسانات الکترومغناطیسی طبیعی در چنین مدار باز را دیگر نمی توان شبه ساکن در نظر گرفت.

برنج. 176. انتقال از مدار نوسانی به ویبراتور باز

قدرت جریان در مکان های مختلف به طور همزمان متفاوت است: در انتهای مدار همیشه صفر است و در وسط (جایی که سیم پیچ قبلا بود) با حداکثر دامنه نوسان می کند.

در حالت محدود، زمانی که مدار نوسانی به سادگی به یک قطعه سیم مستقیم تبدیل شده است، توزیع جریان در طول مدار در نقطه‌ای از زمان در شکل 1 نشان داده شده است. 177a. در لحظه ای که قدرت جریان در چنین ویبراتوری حداکثر است، میدان مغناطیسی اطراف آن نیز به حداکثر می رسد و هیچ میدان الکتریکی در نزدیکی ویبراتور وجود ندارد. پس از یک چهارم دوره، جریان به صفر می رسد و با آن میدان مغناطیسی نزدیک ویبراتور. بارهای الکتریکی در نزدیکی انتهای ویبراتور متمرکز می شوند و توزیع آنها به شکلی است که در شکل نشان داده شده است. 1776. میدان الکتریکی نزدیک ویبراتور در این لحظه حداکثر است.

برنج. 177. توزیع جریان در امتداد ویبراتور باز در لحظه ای که حداکثر (a) است و توزیع بارها پس از یک چهارم دوره (b)

این نوسانات بار و جریان، یعنی نوسانات الکترومغناطیسی در یک ویبراتور باز، کاملاً شبیه نوسانات مکانیکی است که در صورت حذف جسم عظیم متصل به فنر نوسانگر، می تواند رخ دهد. در این مورد، لازم است که جرم تک تک قسمت های فنر را در نظر گرفت و آن را به عنوان یک سیستم توزیع شده در نظر گرفت که در آن هر عنصر دارای خواص کشسان و بی اثر است. در مورد یک ارتعاش الکترومغناطیسی باز، هر یک از عناصر آن نیز به طور همزمان دارای دو اندوکتانس و خازن هستند.

میدان های الکتریکی و مغناطیسی ویبراتور.ماهیت غیر شبه ثابت نوسانات در یک ویبراتور باز منجر به این واقعیت می شود که میدان های ایجاد شده توسط بخش های جداگانه آن در فاصله معینی از ویبراتور دیگر یکدیگر را جبران نمی کنند، همانطور که برای یک مدار نوسانی "بسته" با پارامترهای توده ای، که در آن نوسانات شبه ساکن هستند، میدان الکتریکی کاملاً در داخل خازن متمرکز شده است و میدان مغناطیسی در داخل سیم پیچ است. به دلیل این جدایی فضایی میدان های الکتریکی و مغناطیسی، آنها مستقیماً به یکدیگر مرتبط نیستند: تبدیل متقابل آنها فقط به دلیل جریان - انتقال بار در طول مدار است.

در یک ویبراتور باز، جایی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در فضا همپوشانی دارند، تأثیر متقابل آنها رخ می‌دهد: یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، یک میدان الکتریکی گردابی ایجاد می‌کند، و یک میدان الکتریکی متغیر، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. در نتیجه، وجود چنین میدان های "خودپایدار" که در فضای آزاد در فاصله زیادی از ویبراتور منتشر می شوند امکان پذیر می شود. اینها امواج الکترومغناطیسی ساطع شده توسط ویبراتور هستند.

آزمایشات هرتزویبراتور، که با کمک آن جی. هرتز برای اولین بار امواج الکترومغناطیسی را در سال 1888 به دست آورد، یک هادی مستقیم با شکاف هوایی کوچک در وسط بود (شکل 178a). به لطف این شکاف، امکان ایجاد بارهای قابل توجهی به دو نیمه ویبراتور وجود داشت. هنگامی که اختلاف پتانسیل به مقدار حد معینی رسید، یک شکست در شکاف هوا رخ داد (جرقه ای پرید) و بارهای الکتریکی از طریق هوای یونیزه شده می توانست از یک نیمه ویبراتور به نیمه دیگر ویبراتور جریان یابد. در یک مدار باز، نوسانات الکترومغناطیسی به وجود آمد. به سرعت جریان های متناوبفقط در ویبراتور وجود داشت و از طریق منبع برق بسته نمی شد؛ چوک ها بین ویبراتور و منبع متصل می شدند (شکل 178a را ببینید).

برنج. 178. ویبراتور هرتز

ارتعاشات با فرکانس بالا در ویبراتور تا زمانی وجود دارد که جرقه شکاف بین نیمه های آن را ببندد. میرایی چنین نوساناتی در یک ویبراتور عمدتاً به دلیل تلفات ژول در مقاومت (مانند مدار نوسانی بسته) نیست، بلکه به دلیل تابش امواج الکترومغناطیسی رخ می دهد.

برای تشخیص امواج الکترومغناطیسی، هرتز از ویبراتور دوم (دریافت کننده) استفاده کرد (شکل 1786). تحت تأثیر میدان الکتریکی متناوب موجی که از امیتر می آید، الکترون های موجود در ویبراتور گیرنده نوسانات اجباری را انجام می دهند، یعنی یک جریان متناوب سریع در ویبراتور برانگیخته می شود. اگر ابعاد ویبراتور گیرنده با اندازه ارتعاش کننده یکسان باشد، فرکانس های نوسانات الکترومغناطیسی طبیعی در آنها منطبق است و نوسانات اجباری در ویبره گیرنده به دلیل تشدید به مقدار قابل توجهی می رسد. هرتز این نوسانات را با لغزش یک جرقه در یک شکاف میکروسکوپی در وسط ویبراتور گیرنده یا با درخشش یک لوله تخلیه گاز مینیاتوری G که بین نیمه‌های ویبراتور متصل است، تشخیص داد.

هرتز نه تنها به طور تجربی وجود امواج الکترومغناطیسی را اثبات کرد، بلکه برای اولین بار شروع به مطالعه خواص آنها کرد - جذب و شکست در محیط های مختلف، انعکاس از سطوح فلزی و غیره. که معلوم شد برابر با سرعت نور است.

همزمانی سرعت امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور که مدت ها قبل از کشف آنها اندازه گیری شده بود به عنوان نقطه شروع برای شناسایی نور با امواج الکترومغناطیسی و ایجاد نظریه الکترومغناطیسی نور بود.

یک موج الکترومغناطیسی بدون منبع میدان وجود دارد به این معنا که پس از انتشار آن، میدان الکترومغناطیسی موج با منبع مرتبط نیست. اینگونه است که یک موج الکترومغناطیسی با میدان های الکتریکی ساکن و مغناطیسی که جدا از منبع وجود ندارند، متفاوت است.

مکانیسم تابش امواج الکترومغناطیسی.انتشار امواج الکترومغناطیسی با حرکت سریع بارهای الکتریکی اتفاق می افتد. شما می توانید درک کنید که چگونه میدان الکتریکی عرضی یک موج از میدان کولن شعاعی یک بار نقطه ای با استفاده از استدلال ساده زیر که توسط J. Thomson ارائه شده است، ایجاد می شود.

برنج. 179. میدان شارژ نقطه ای ثابت

بیایید میدان الکتریکی ایجاد شده توسط یک بار نقطه ای را در نظر بگیریم.اگر بار در حالت سکون باشد، میدان الکترواستاتیکی آن با خطوط شعاعی نیروی ناشی از بار به تصویر کشیده می شود (شکل 179). اجازه دهید در لحظه زمان بار تحت تأثیر نیروی خارجی با شتاب a شروع به حرکت کند و پس از مدتی عمل این نیرو متوقف شود تا بار با سرعت یکنواخت حرکت کند. نمودار سرعت حرکت بار در شکل نشان داده شده است. 180.

اجازه دهید تصویری از خطوط میدان الکتریکی ایجاد شده توسط این بار پس از مدت زمان طولانی را تصور کنیم. از آنجایی که میدان الکتریکی با سرعت نور c منتشر می شود،

سپس تغییر در میدان الکتریکی ناشی از حرکت بار نمی تواند به نقاطی برسد که خارج از کره شعاع قرار دارند: در خارج از این کره میدان همان است که با یک بار ثابت بود (شکل 181). قدرت این میدان (در سیستم واحدهای گاوسی) برابر است با

کل تغییر میدان الکتریکی ناشی از حرکت شتاب دار بار در طول زمان در یک لحظه در داخل یک لایه کروی نازک با ضخامت است که شعاع بیرونی آن برابر و شعاع داخلی است - این در شکل نشان داده شده است. 181. در داخل یک کره با شعاع، میدان الکتریکی میدان بار یکنواخت متحرک است.

برنج. 180. نمودار سرعت شارژ

برنج. 181. خطوط شدت میدان الکتریکی یک بار که مطابق نمودار در شکل حرکت می کنند. 180

برنج. 182. برای استخراج فرمول قدرت میدان تابشی یک بار متحرک شتابدار

اگر سرعت بار بسیار کمتر از سرعت نور c باشد، در این صورت این میدان در لحظه زمان با میدان بار نقطه ای ساکن در فاصله ای از ابتدا منطبق است (شکل 181): میدان یک شارژی که به آرامی با سرعت ثابت حرکت می کند با آن حرکت می کند و مسافت طی شده توسط بار در طول زمان همانطور که از شکل مشاهده می شود. 180، می تواند برابر در نظر گرفته شود اگر g»t.

با در نظر گرفتن پیوستگی خطوط میدان، الگوی میدان الکتریکی درون لایه کروی به راحتی پیدا می شود. برای انجام این کار، باید خطوط شعاعی نیروی مربوطه را به هم وصل کنید (شکل 181). در اثر حرکت شتاب دار بار، پیچ خوردگی در خطوط نیرو با سرعت c از بار "فرار می کند". وقفه در خطوط برق بین

کره ها، این میدان تابشی مورد علاقه ما است که با سرعت c منتشر می شود.

برای یافتن میدان تابش، یکی از خطوط شدتی را در نظر بگیرید که با جهت حرکت بار زاویه مشخصی ایجاد می کند (شکل 182). اجازه دهید بردار شدت میدان الکتریکی در شکست E را به دو جزء شعاعی و عرضی تجزیه کنیم. جزء شعاعی قدرت میدان الکترواستاتیکی است که توسط بار در فاصله ای از آن ایجاد می شود:

مولفه عرضی، قدرت میدان الکتریکی در موجی است که از بار در طول حرکت شتاب گرفته ساطع می شود. از آنجایی که این موج در امتداد شعاع حرکت می کند، بردار عمود بر جهت انتشار موج است. از شکل 182 واضح است که

با جایگزینی در اینجا از (2)، پیدا می کنیم

با توجه به اینکه یک نسبت شتاب a است که با آن بار در بازه زمانی از 0 تا 0 حرکت می کند، این عبارت را به شکل بازنویسی می کنیم.

اول از همه، اجازه دهید به این واقعیت توجه کنیم که شدت میدان الکتریکی یک موج به نسبت معکوس با فاصله از مرکز کاهش می‌یابد، در مقابل قدرت میدان الکترواستاتیکی که متناسب با وابستگی به فاصله است که انتظار می‌رود. اگر قانون بقای انرژی را در نظر بگیریم. از آنجایی که وقتی موج در خلاء منتشر می شود، هیچ جذب انرژی رخ نمی دهد، مقدار انرژی عبوری از کره ای با هر شعاع یکسان است. از آنجایی که مساحت سطح یک کره با مربع شعاع آن متناسب است، جریان انرژی در واحد سطح آن باید با مربع شعاع آن نسبت معکوس داشته باشد. با توجه به اینکه چگالی انرژی میدان الکتریکی موج برابر است به این نتیجه می رسیم که

در مرحله بعد، توجه می کنیم که شدت میدان موج در فرمول (4) در لحظه زمان بستگی به شتاب بار دارد و در لحظه ای که موج ساطع شده در لحظه به نقطه ای می رسد که در فاصله ای پس از یک زمان برابر با

تابش یک بار نوسانی.اکنون فرض می کنیم که بار دائماً در امتداد یک خط مستقیم با مقداری شتاب متغیر نزدیک مبدا مختصات حرکت می کند، به عنوان مثال، نوسانات هارمونیک را انجام می دهد. سپس امواج الکترومغناطیسی را به طور مداوم ساطع می کند. شدت میدان الکتریکی موج در نقطه ای که در فاصله ای از مبدأ مختصات قرار دارد هنوز با فرمول (4) تعیین می شود و میدان در لحظه زمان بستگی به شتاب بار a در لحظه قبلی دارد.

بگذارید حرکت بار باشد نوسان هارمونیکنزدیک مبدا مختصات با دامنه A و فرکانس مشخص س:

شتاب بار در طول چنین حرکتی با بیان داده می شود

با جایگزینی شتاب بار به فرمول (5)، به دست می آوریم

تغییر در میدان الکتریکی در هر نقطه در طول گذر چنین موجی نشان دهنده یک نوسان هارمونیک با فرکانس است، به عنوان مثال، یک بار نوسانی یک موج تک رنگ ساطع می کند. البته فرمول (8) در فواصل بزرگ نسبت به دامنه نوسانات بار A معتبر است.

انرژی امواج الکترومغناطیسیچگالی انرژی میدان الکتریکی یک موج تک رنگ ساطع شده توسط بار را می توان با استفاده از فرمول (8) یافت:

چگالی انرژی متناسب با مجذور دامنه نوسانات بار و توان چهارم فرکانس است.

هر نوسانی با انتقال متناوب انرژی از یک نوع به نوع دیگر و برگشت همراه است. به عنوان مثال، نوسانات یک نوسان ساز مکانیکی با تبدیل متقابل انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک همراه است. هنگام مطالعه نوسانات الکترومغناطیسی در یک مدار، دیدیم که آنالوگ انرژی پتانسیل یک نوسان ساز مکانیکی، انرژی میدان الکتریکی در خازن است و آنالوگ انرژی جنبشی، انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ است. این قیاس نه تنها برای نوسانات موضعی، بلکه برای فرآیندهای موج نیز معتبر است.

در یک موج تک رنگ که در یک محیط الاستیک حرکت می کند، چگالی انرژی جنبشی و پتانسیل در هر نقطه تحت یک نوسان هارمونیک با فرکانس دوبرابر قرار می گیرد و به طوری که مقادیر آنها در هر زمان منطبق می شود. همین امر در یک موج الکترومغناطیسی تک رنگ در حال حرکت صادق است: چگالی انرژی میدان های الکتریکی و مغناطیسی، انجام یک نوسان هارمونیک با فرکانس مساوی در هر نقطه در هر زمان.

چگالی انرژی میدان مغناطیسی بر حسب القای B به صورت زیر بیان می شود:

با برابر کردن چگالی انرژی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در یک موج الکترومغناطیسی در حال حرکت، متقاعد می‌شویم که القای میدان مغناطیسی در چنین موجی به مختصات و زمان بستگی دارد، همانطور که به شدت میدان الکتریکی بستگی دارد. به عبارت دیگر، در یک موج سیر، القای میدان مغناطیسی و قدرت میدان الکتریکی در هر نقطه و در هر زمان با یکدیگر برابر هستند (در سیستم واحدهای گاوسی):

جریان انرژی امواج الکترومغناطیسیچگالی انرژی کل میدان الکترومغناطیسی در یک موج سیر دو برابر می شود تراکم بیشترانرژی میدان الکتریکی (9). چگالی شار انرژی y که توسط موج حمل می شود برابر است با حاصل ضرب چگالی انرژی و سرعت انتشار موج. با استفاده از فرمول (9) می‌بینید که جریان انرژی در هر سطحی با فرکانس نوسان می‌کند، برای یافتن مقدار متوسط ​​چگالی شار انرژی، باید میانگین بیان (9) را در طول زمان محاسبه کرد. از آنجایی که مقدار متوسط ​​1/2 است، پس برای ما دریافت می کنیم

برنج. 183. توزیع زاویه ای انرژی ساطع شده توسط بار نوسانی

چگالی شار انرژی در یک موج به جهت بستگی دارد: در جهتی که بار در آن نوسان می کند، انرژی به هیچ وجه ساطع نمی شود. بیشترین مقدار انرژی در صفحه ای عمود بر این جهت گسیل می شود. توزیع زاویه ای انرژی ساطع شده توسط یک بار نوسانی در شکل نشان داده شده است. 183. بار در امتداد محور نوسان می کند، از مبدأ مختصات، قطعاتی رسم می شود که طول آنها متناسب با تابش ساطع شده در یک معین است.

جهت انرژی، یعنی نمودار خطی را نشان می دهد که انتهای این بخش ها را به هم متصل می کند.

توزیع انرژی در امتداد جهات در فضا با یک سطح مشخص می شود که با چرخش نمودار حول محور به دست می آید.

قطبش امواج الکترومغناطیسیموجی که توسط یک ویبراتور در طی ارتعاشات هارمونیک ایجاد می شود، تک رنگ نامیده می شود. یک موج تک رنگ با فرکانس مشخصی с و طول موج X مشخص می شود. طول موج و فرکانس از طریق سرعت انتشار موج با موارد زیر مرتبط هستند:

یک موج الکترومغناطیسی در خلاء عرضی است: بردار قدرت میدان الکترومغناطیسی موج، همانطور که از استدلال های بالا مشاهده می شود، عمود بر جهت انتشار موج است. اجازه دهید از نقطه مشاهده P در شکل عبور کنیم. 184 کره با مرکزی در مبدا مختصات، که بار تابشی در امتداد محور خود در نوسان است. بیایید تشابهات و نصف النهارها را روی آن ترسیم کنیم. سپس بردار E میدان موج به صورت مماس بر نصف النهار هدایت می شود و بردار B عمود بر بردار E و جهت مماس بر موازی است.

برای تأیید این موضوع، اجازه دهید رابطه بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی را در یک موج سیر با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم. این فیلدها پس از انتشار موج، دیگر با منبع مرتبط نیستند. هنگامی که میدان الکتریکی یک موج تغییر می کند، میدان مغناطیسی ظاهر می شود که خطوط میدان آن، همانطور که در هنگام مطالعه جریان جابجایی دیدیم، بر خطوط میدان الکتریکی عمود هستند. این میدان مغناطیسی متناوب، در حال تغییر، به نوبه خود منجر به ظهور یک میدان الکتریکی گردابی می شود که عمود بر میدان مغناطیسی ایجاد کننده آن است. بنابراین، همانطور که موج منتشر می شود، میدان های الکتریکی و مغناطیسی از یکدیگر حمایت می کنند و همیشه عمود بر یکدیگر باقی می مانند. از آنجایی که در یک موج سیر، تغییر میدان های الکتریکی و مغناطیسی در فاز با یکدیگر اتفاق می افتد، "پرتره" آنی موج (بردارهای E و B در نقاط مختلفخطوط در امتداد جهت انتشار) شکل نشان داده شده در شکل 1 را دارد. 185. چنین موجی قطبی خطی نامیده می شود. باری که یک نوسان هارمونیک را انجام می دهد، امواج قطبی خطی را در همه جهات ساطع می کند. در یک موج پلاریزه خطی که در هر جهت حرکت می کند، بردار E همیشه در همان صفحه است.

از آنجایی که بارها در یک ویبراتور الکترومغناطیسی خطی دقیقاً تحت این حرکت نوسانی قرار می گیرند، موج الکترومغناطیسی ساطع شده توسط ویبراتور به صورت خطی قطبی می شود. با تغییر جهت ویبراتور گیرنده نسبت به ویبراتور ساطع کننده، به راحتی می توان آن را به صورت تجربی تایید کرد.

برنج. 185. میدان های الکتریکی و مغناطیسی در یک موج قطبی خطی در حال حرکت

هنگامی که ویبراتور گیرنده موازی با ویبراتور ساطع کننده باشد، سیگنال بالاتر است (شکل 178 را ببینید). اگر ویبراتور گیرنده عمود بر ویبراتور ساطع کننده بچرخد، سیگنال ناپدید می شود. ارتعاشات الکتریکی در ویبراتور گیرنده تنها به دلیل مولفه میدان الکتریکی موج هدایت شده در امتداد ویبراتور ظاهر می شود. بنابراین، چنین آزمایشی نشان می دهد که میدان الکتریکی در موج موازی با ویبراتور تابشی است.

انواع دیگری از قطبش امواج الکترومغناطیسی عرضی نیز امکان پذیر است. به عنوان مثال، اگر بردار E در نقطه معینی در طول گذر موج به طور یکنواخت حول جهت انتشار بچرخد و قدر آن بدون تغییر باقی بماند، در این صورت موج به صورت دایره ای قطبی شده یا قطبی شده دایره ای نامیده می شود. یک "پرتره" لحظه ای از میدان الکتریکی چنین موج الکترومغناطیسی در شکل نشان داده شده است. 186.

برنج. 186. میدان الکتریکی در یک موج قطبی دایره ای در حال حرکت

یک موج قطبی دایره ای را می توان با اضافه کردن دو موج قطبی شده خطی با فرکانس و دامنه یکسان که در یک جهت منتشر می شوند، که در آن بردارهای میدان الکتریکی متقابل عمود هستند، به دست آورد. در هر موج، بردار میدان الکتریکی در هر نقطه دچار یک نوسان هارمونیک می شود. برای اینکه افزودن چنین نوسانات متقابل عمودی منجر به چرخش بردار حاصل شود، یک جابجایی فاز ضروری است به عبارت دیگر، اضافه کردن امواج قطبی شده خطی باید به اندازه یک چهارم طول موج نسبت به یکدیگر جابجا شود.

ضربه موج و فشار نور.همراه با انرژی، یک موج الکترومغناطیسی نیز دارای تکانه است. اگر موجی جذب شود، تکانه آن به جسمی که آن را جذب می کند منتقل می شود. نتیجه این است که وقتی موج الکترومغناطیسی جذب می شود، بر مانع فشار وارد می کند. منشا فشار موج و بزرگی این فشار را می توان به صورت زیر توضیح داد.

در یک خط مستقیم کارگردانی شده است. سپس توان P جذب شده توسط بار برابر است با

فرض می کنیم که تمام انرژی موج فرودی توسط سد جذب می شود. از آنجایی که موج به ازای واحد سطح یک مانع در واحد زمان انرژی به ارمغان می آورد، فشار اعمال شده توسط موج در زمان وقوع عادی برابر با چگالی انرژی موج است. واحد زمان یک ضربه برابر است با فرمول (15) انرژی جذب شده تقسیم بر سرعت نور c . این بدان معنی است که موج الکترومغناطیسی جذب شده دارای تکانه ای است که برابر با انرژی تقسیم بر سرعت نور است.

برای اولین بار، فشار امواج الکترومغناطیسی توسط P. N. Lebedev در سال 1900 در آزمایش های بسیار ظریف کشف شد.

نوسانات الکترومغناطیسی شبه ثابت در یک مدار نوسانی بسته چه تفاوتی با نوسانات فرکانس بالا در یک ویبراتور باز دارد؟ یک قیاس مکانیکی ارائه دهید.

توضیح دهید که چرا امواج الکترومغناطیسی در طول نوسانات شبه ایستا الکترومغناطیسی در مدار بسته منتشر نمی شوند. چرا تابش در طول نوسانات الکترومغناطیسی در یک ویبراتور باز رخ می دهد؟

آزمایش‌های هرتز در مورد امواج الکترومغناطیسی هیجان‌انگیز و تشخیص آن را توصیف و توضیح دهید. شکاف جرقه چه نقشی در ارتعاشات ارسال کننده و دریافت کننده دارد؟

توضیح دهید که چگونه با حرکت شتاب دار یک بار الکتریکی، میدان الکترواستاتیک طولی به میدان الکتریکی عرضی موج الکترومغناطیسی ساطع شده از آن تبدیل می شود.

بر اساس ملاحظات انرژی، نشان دهید که قدرت میدان الکتریکی یک موج کروی ساطع شده توسط ویبراتور به اندازه 1 1r کاهش می یابد (برخلاف میدان الکترواستاتیک).

موج الکترومغناطیسی تک رنگ چیست؟ طول موج چیست؟ چه ربطی به فرکانس داره؟ خاصیت امواج الکترومغناطیسی عرضی چیست؟

قطبش یک موج الکترومغناطیسی چیست؟ چه انواع پلاریزاسیون را می شناسید؟

برای توجیه این واقعیت که موج الکترومغناطیسی تکانه دارد، چه استدلالی می توانید ارائه دهید؟

نقش نیروی لورنتس در وقوع نیروی فشار موج الکترومغناطیسی بر روی مانع را توضیح دهید.

تابش الکترومغناطیسی(امواج الکترومغناطیسی) - اختلال در میدان های الکتریکی و مغناطیسی منتشر شده در فضا.

محدوده تابش الکترومغناطیسی

1 امواج رادیویی

2. اشعه مادون قرمز (حرارتی)

3. تشعشع مرئی (نوری)

4. اشعه ماوراء بنفش

5. تشعشع سخت

ویژگی اصلی تابش الکترومغناطیسی فرکانس و طول موج در نظر گرفته می شود. طول موج به سرعت انتشار تابش بستگی دارد. سرعت انتشار تابش الکترومغناطیسی در خلاء برابر با سرعت نور است، در سایر رسانه ها این سرعت کمتر است.

ویژگی های امواج الکترومغناطیسی از دیدگاه تئوری نوسانات و مفاهیم الکترودینامیک وجود سه بردار عمود بر یکدیگر است: بردار موج، بردار شدت میدان الکتریکی E و بردار شدت میدان مغناطیسی H.

امواج الکترومغناطیسی- اینها امواج عرضی (امواج برشی) هستند که در آنها بردارهای شدت میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر جهت انتشار موج نوسان می کنند، اما تفاوت قابل توجهی با امواج روی آب و صدا دارند زیرا می توانند از یک موج منتقل شوند. منبع به یک گیرنده، از جمله از طریق خلاء.

مشترک همه انواع تشعشعات سرعت انتشار آنها در خلاء برابر با 300000000 متر بر ثانیه است.

تشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس نوسان مشخص می شود که تعداد چرخه های کامل نوسان در ثانیه یا طول موج را نشان می دهد. فاصله ای که تابش در طول یک نوسان (در هر دوره نوسان) منتشر می شود.

فرکانس نوسان (f)، طول موج (λ) و سرعت انتشار تابش (c) با رابطه c = f λ به یکدیگر مرتبط هستند.

تشعشعات الکترومغناطیسی معمولاً به محدوده فرکانسی تقسیم می شوند. هیچ انتقال شدیدی بین محدوده‌ها وجود ندارد؛ آنها گاهی اوقات همپوشانی دارند و مرزهای بین آنها دلخواه است. از آنجایی که سرعت انتشار تابش ثابت است، فرکانس نوسانات آن به شدت با طول موج در خلاء مرتبط است.

امواج رادیویی فوق کوتاهمرسوم است که به متر، دسی متر، سانتی متر، میلی متر و زیر میلی متر یا میکرومتر تقسیم می شود. امواج با طول λ کمتر از 1 متر (فرکانس بیش از 300 مگاهرتز) معمولا مایکروویو یا امواج مایکروویو نیز نامیده می شوند.

اشعه مادون قرمز- تابش الکترومغناطیسی، اشغال منطقه طیفی بین انتهای قرمز نور مرئی (با طول موج 0.74 میکرون) و تابش مایکروویو (1-2 میلی متر).

اشعه مادون قرمزبیشترین بخش از طیف نوری را اشغال می کند. تشعشعات مادون قرمز را تابش حرارتی نیز می نامند، زیرا تمام اجسام، جامد و مایع که تا دمای معینی گرم می شوند، انرژی در طیف مادون قرمز ساطع می کنند. در این مورد، طول موج های ساطع شده توسط بدن به دمای گرمایش بستگی دارد: هر چه دما بیشتر باشد، طول موج کوتاه تر و شدت تابش بیشتر می شود. طیف تابش یک جسم کاملاً سیاه در دمای نسبتاً پایین (تا چندین هزار کلوین) عمدتاً در این محدوده قرار دارد.

نور مرئی ترکیبی از هفت رنگ اصلی است: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، فیروزه‌ای، نیلی و بنفش. جلوی نواحی قرمز طیف در محدوده نوری مادون قرمز و پشت بنفش ماوراء بنفش است. اما نه مادون قرمز و نه فرابنفش برای چشم انسان قابل مشاهده نیستند.

پرتوهای مرئی، مادون قرمز و فرابنفش به اصطلاح را تشکیل می دهند منطقه طیف نوریبه معنای وسیع کلمه معروف ترین منبع تابش نوری خورشید است. سطح آن (فتوسفر) تا دمای 6000 درجه گرم می شود و با نور زرد روشن می درخشد. این قسمت از طیف تابش الکترومغناطیسی مستقیماً توسط حواس ما درک می شود.

تابش نوریزمانی اتفاق می‌افتد که اجسام به دلیل حرکت حرارتی اتم‌ها و مولکول‌ها گرم می‌شوند (تابش مادون قرمز تابش حرارتی نیز نامیده می‌شود). هر چه جسم گرمتر باشد فرکانس تابش آن بیشتر است. هنگامی که به یک سطح معین گرم می شود، بدن شروع به درخشش در محدوده مرئی (درخششی)، ابتدا قرمز، سپس زرد و غیره می کند. برعکس، تابش از طیف نوری اثر حرارتی بر اجسام دارد.

در طبیعت، ما اغلب با اجسامی مواجه می‌شویم که نوری از ترکیب طیفی پیچیده، متشکل از اراده با طول‌های مختلف ساطع می‌کنند. بنابراین انرژی تابش مرئی بر عناصر حساس به نور چشم تأثیر می گذارد و حس متفاوتی ایجاد می کند. این با حساسیت متفاوت چشم به تابش با طول موج های مختلف توضیح داده می شود.

علاوه بر تابش حرارتی، واکنش های شیمیایی و بیولوژیکی می توانند به عنوان منبع و گیرنده تابش نوری عمل کنند. یکی از مشهورترین واکنش های شیمیاییکه گیرنده تابش نوری هستند در عکاسی استفاده می شوند.

پرتوهای سخت مرزهای مناطق پرتو ایکس و تابش گاما را می توان فقط به صورت بسیار مشروط تعیین کرد. برای راهنمایی کلی، می توان فرض کرد که انرژی کوانتوم های پرتو ایکس در محدوده 20 eV - 0.1 مگا ولت قرار دارد و انرژی کوانتوم های گاما بیش از 0.1 مگا ولت است.

اشعه ماوراء بنفش(فرابنفش، فرابنفش، UV) - تابش الکترومغناطیسی، که محدوده بین تابش مرئی و اشعه ایکس را اشغال می کند (380 - 10 نانومتر، 7.9 × 1014 - 3 × 1016 هرتز). این محدوده به طور معمول به دو دسته فرابنفش نزدیک (380-200 نانومتر) و دور یا خلاء (200-10 نانومتر) تقسیم می شود که دومی به این دلیل نامیده می شود که به شدت توسط جو جذب می شود و فقط توسط دستگاه های خلاء مطالعه می شود.

تابش فرابنفش موج بلندفعالیت فوتوبیولوژیکی نسبتا کمی دارد، اما می تواند باعث رنگدانه پوست انسان شود و تأثیر مثبتی بر بدن دارد. تابش در این زیر محدوده می تواند باعث درخشش برخی از مواد شود، بنابراین برای تجزیه و تحلیل شب تاب استفاده می شود. ترکیب شیمیاییمحصولات

تابش فرابنفش موج میانیاثر مقوی و درمانی بر موجودات زنده دارد. می تواند باعث اریتم و برنزه شدن شود، ویتامین D را که برای رشد و نمو لازم است، به شکل قابل جذب در حیوانات تبدیل کند و اثر قوی ضد راشیتیسم دارد. تشعشعات این زیرمجموعه برای اکثر گیاهان مضر است.

درمان امواج ماوراء بنفش با امواج کوتاهخاصیت ضد باکتریایی دارد، بنابراین برای ضدعفونی آب و هوا، ضدعفونی و استریل کردن تجهیزات و ظروف مختلف کاربرد زیادی دارد.

منبع طبیعی اصلی تشعشعات فرابنفش روی زمین خورشید است. نسبت شدت تابش UV-A و UV-B، مقدار کل پرتو های فرابنفشرسیدن به سطح زمین به عوامل مختلفی بستگی دارد.

منابع مصنوعی اشعه ماوراء بنفشگوناگون، متنوع. امروزه منابع مصنوعی اشعه ماوراء بنفشبه طور گسترده در موسسات پزشکی، پیشگیرانه، بهداشتی و بهداشتی استفاده می شود، کشاورزیو غیره. فرصت های بسیار بیشتری نسبت به استفاده از طبیعی فراهم می شود اشعه ماوراء بنفشتابش - تشعشع.

در سال 1864، جیمز کلرک ماکسول احتمال وجود امواج الکترومغناطیسی در فضا را پیش بینی کرد. او این بیانیه را بر اساس نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل تمام داده های تجربی شناخته شده در آن زمان در مورد الکتریسیته و مغناطیس ارائه کرد.

ماکسول از نظر ریاضی قوانین الکترودینامیک را متحد کرد و پدیده های الکتریکی و مغناطیسی را به هم پیوند زد و بدین ترتیب به این نتیجه رسید که میدان های الکتریکی و مغناطیسی با تغییر در طول زمان یکدیگر را ایجاد می کنند.

او در ابتدا بر این واقعیت تمرکز کرد که رابطه بین پدیده های مغناطیسی و الکتریکی متقارن نیست و اصطلاح "میدان الکتریکی گرداب" را معرفی کرد و توضیح واقعاً جدید خود را از پدیده القای الکترومغناطیسی کشف شده توسط فارادی ارائه کرد: "هر تغییر در مغناطیسی". میدان منجر به نمایان شدن فضای اطراف یک میدان الکتریکی گردابی با خطوط بسته نیرو می شود.

به گفته ماکسول، گزاره مخالف نیز صادق بود: "یک میدان الکتریکی در حال تغییر، یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می کند"، اما این بیانیه در ابتدا فقط یک فرضیه باقی ماند.

ماکسول سیستمی از معادلات ریاضی را نوشت که به طور مداوم قوانین تبدیل متقابل میدان های مغناطیسی و الکتریکی را توصیف می کرد؛ این معادلات بعداً به معادلات اساسی الکترودینامیک تبدیل شدند و به افتخار دانشمند بزرگی که آنها را نوشت، "معادلات ماکسول" نامیده شدند. پایین. فرضیه ماکسول، بر اساس معادلات مکتوب، چندین نتیجه بسیار مهم برای علم و فناوری داشت که در زیر آورده شده است.

امواج الکترومغناطیسی واقعا وجود دارند

امواج الکترومغناطیسی عرضی می توانند در فضا وجود داشته باشند که در طول زمان در حال انتشار هستند. عرضی بودن امواج با این واقعیت نشان می دهد که بردارهای القای مغناطیسی B و شدت میدان الکتریکی E بر یکدیگر عمود هستند و هر دو در صفحه ای عمود بر جهت انتشار موج الکترومغناطیسی قرار دارند.

سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در ماده محدود است و توسط جریان الکتریکی و خواص مغناطیسیماده ای که موج از طریق آن منتشر می شود. طول موج سینوسی λ با نسبت دقیق معینی λ = υ / f به سرعت υ مربوط می شود و به فرکانس f نوسانات میدان بستگی دارد. سرعت c یک موج الکترومغناطیسی در خلاء یکی از ثابت های فیزیکی اساسی است - سرعت نور در خلاء.

از آنجایی که ماکسول بیان کرد که سرعت انتشار موج الکترومغناطیسی محدود است، این امر تناقضی بین فرضیه او و نظریه عمل دوربرد پذیرفته شده در آن زمان ایجاد کرد که طبق آن سرعت انتشار امواج باید بی نهایت باشد. بنابراین نظریه ماکسول را نظریه کنش کوتاه برد نامیدند.

در یک موج الکترومغناطیسی، تبدیل میدان های الکتریکی و مغناطیسی به یکدیگر به طور همزمان اتفاق می افتد، بنابراین چگالی حجمی انرژی مغناطیسی و انرژی الکتریکی با یکدیگر برابر است. بنابراین، درست است که مدول های شدت میدان الکتریکی و القای میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضا با رابطه زیر با یکدیگر مرتبط هستند:

یک موج الکترومغناطیسی در فرآیند انتشار خود جریانی از انرژی الکترومغناطیسی ایجاد می کند و اگر ناحیه ای را در صفحه ای عمود بر جهت انتشار موج در نظر بگیریم، در مدت زمان کوتاهی مقدار معینی از انرژی الکترومغناطیسی حرکت می کند. از طریق آن. چگالی شار انرژی الکترومغناطیسی مقدار انرژی است که توسط یک موج الکترومغناطیسی از سطح یک واحد سطح در واحد زمان منتقل می شود. با جایگزینی مقادیر سرعت و همچنین انرژی مغناطیسی و الکتریکی می‌توان بیانی برای چگالی شار بر حسب مقادیر E و B بدست آورد.

از آنجایی که جهت انتشار انرژی موج با جهت سرعت انتشار موج منطبق است، جریان انتشار انرژی در یک موج الکترومغناطیسی را می توان با استفاده از یک بردار که به همان ترتیب سرعت انتشار موج هدایت می شود، مشخص کرد. این بردار به افتخار فیزیکدان انگلیسی هنری پونتینگ، که نظریه انتشار جریان انرژی میدان الکترومغناطیسی را در سال 1884 توسعه داد، "بردار پوینتینگ" نامیده شد. چگالی شار انرژی موج بر حسب وات بر متر مربع اندازه گیری می شود.

هنگامی که یک میدان الکتریکی روی یک ماده اثر می گذارد، جریان های کوچکی در آن ظاهر می شود که نشان دهنده حرکت منظم ذرات باردار الکتریکی است. این جریان ها در میدان مغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی تحت تأثیر نیروی آمپر هستند که به عمق ماده هدایت می شود. نیروی آمپر در نهایت فشار ایجاد می کند.

این پدیده بعداً در سال 1900 توسط فیزیکدان روسی پیوتر نیکولاویچ لبدف مورد مطالعه و تایید تجربی قرار گرفت که کار تجربی او برای تایید نظریه الکترومغناطیس ماکسول و پذیرش و تایید آن در آینده بسیار مهم بود.

این واقعیت که یک موج الکترومغناطیسی فشار وارد می کند به شخص اجازه می دهد تا قضاوت کند که میدان الکترومغناطیسی دارای یک ضربه مکانیکی است که می تواند برای یک واحد حجم از طریق چگالی حجمی انرژی الکترومغناطیسی و سرعت انتشار موج در خلاء بیان شود:

از آنجایی که تکانه با حرکت جرم همراه است، می توان مفهومی را به عنوان جرم الکترومغناطیسی معرفی کرد و سپس برای یک واحد حجم این رابطه (مطابق با STR) ماهیت یک قانون جهانی طبیعت را به خود می گیرد و برای هر جسم مادی، صرف نظر از شکل ماده، معتبر باشد. و میدان الکترومغناطیسی پس از آن شبیه به یک جسم مادی است - دارای انرژی W، جرم m، تکانه p و سرعت نهایی انتشار v. یعنی میدان الکترومغناطیسی یکی از اشکال ماده ای است که در طبیعت وجود دارد.

برای اولین بار در سال 1888، هاینریش هرتز به طور تجربی نظریه الکترومغناطیسی ماکسول را تایید کرد. او به طور تجربی واقعیت امواج الکترومغناطیسی را اثبات کرد و خواص آنها مانند شکست و جذب در محیط های مختلفو همچنین انعکاس امواج از سطوح فلزی.

هرتز طول موج را اندازه گرفت و نشان داد که سرعت انتشار یک موج الکترومغناطیسی برابر با سرعت نور است. کار تجربی هرتز آخرین گام در جهت شناخت نظریه الکترومغناطیسی ماکسول بود. هفت سال بعد، در سال 1895، فیزیکدان روسی الکساندر استپانوویچ پوپوف از امواج الکترومغناطیسی برای ایجاد ارتباطات بی سیم استفاده کرد.

در زنجیر جریان مستقیمبارها با سرعت ثابتی حرکت می کنند و در این حالت امواج الکترومغناطیسی به فضا گسیل نمی شوند. برای اینکه تشعشع اتفاق بیفتد، لازم است از آنتنی استفاده شود که در آن جریان های متناوب تحریک می شوند، یعنی جریان هایی که به سرعت جهت خود را تغییر می دهند.

در ساده ترین شکل خود، یک دوقطبی الکتریکی با اندازه کوچک، که گشتاور دوقطبی آن به سرعت با زمان تغییر می کند، برای انتشار امواج الکترومغناطیسی مناسب است. دقیقاً این نوع دوقطبی است که امروزه "دوقطبی هرتز" نامیده می شود، اندازه آن چندین برابر کوچکتر از طول موجی است که منتشر می کند.

هنگامی که توسط یک دوقطبی هرتزی تابش می شود، حداکثر جریان انرژی الکترومغناطیسی بر روی صفحه ای عمود بر محور دوقطبی می افتد. هیچ تابشی از انرژی الکترومغناطیسی در امتداد محور دوقطبی وجود ندارد. در مهمترین آزمایشات هرتز از دوقطبی های ابتدایی هم برای انتشار و هم برای دریافت امواج الکترومغناطیسی استفاده شد و وجود امواج الکترومغناطیسی به اثبات رسید.