Az elektromágneses hullámokat Maxwell-egyenletek írják le, amelyek általánosak az elektromágneses jelenségeknél. A Maxwell-egyenleteknek a térben elektromos töltések és áramok hiányában is vannak nullától eltérő megoldásai. Ezek a megoldások elektromágneses hullámokat írnak le.
Töltések és áramok hiányában a Maxwell-egyenletek a következő alakot öltik:
,
A rothadás műveletet az első két egyenletre alkalmazva külön egyenleteket kaphat az elektromos és a mágneses mező erősségének meghatározására
Ezek az egyenletek a hullámegyenletek tipikus formájával rendelkeznek. Megoldásaik a következő típusú kifejezések szuperpozíciói
Hol – Egy bizonyos vektor, amelyet hullámvektornak nevezünk? – ciklikus frekvenciának nevezett szám, ? – fázis. A mennyiségek az elektromágneses hullám elektromos és mágneses összetevőinek amplitúdói. Ezek egymásra merőlegesek és abszolút értékűek. Az alábbiakban az egyes bevezetett mennyiségek fizikai értelmezését adjuk meg.
Vákuumban egy elektromágneses hullám sebességgel halad, amelyet fénysebességnek nevezünk. A fénysebesség alapvető fizikai állandó, amelyet a latin c betűvel jelölünk. A relativitáselmélet alapvető posztulátumai szerint a fénysebesség az információátvitel vagy a test mozgásának lehetséges legnagyobb sebessége. Ez a sebesség 299 792 458 m/s.
Az elektromágneses hullámot a frekvencia jellemzi. Megkülönböztetni a vonalfrekvenciát? és ciklikus frekvencia? = 2??. A frekvenciától függően az elektromágneses hullámok valamelyik spektrális tartományba tartoznak.
Az elektromágneses hullám másik jellemzője a hullámvektor. A hullámvektor határozza meg az elektromágneses hullám terjedésének irányát és hosszát. A hullámvektor abszolút értékét hullámszámnak nevezzük.
Elektromágneses hullámhossz? = 2? / k, ahol k a hullámszám.
Az elektromágneses hullám hossza a diszperziós törvényen keresztül összefügg a frekvenciával. Az ürességben ez a kapcsolat egyszerű:
?? = c.
Ezt a kapcsolatot gyakran a formába írják
? = c k.
Az azonos frekvenciájú és hullámvektorú elektromágneses hullámok fázisban különbözhetnek.
Vákuumban az elektromágneses hullám elektromos és mágneses terének erősségvektorai szükségszerűen merőlegesek a hullám terjedési irányára. Az ilyen hullámokat keresztirányú hullámoknak nevezzük. Matematikailag ezt a és egyenletek írják le. Ráadásul az elektromos és a mágneses térerősség egymásra merőleges, és abszolút értékben mindig egyenlő a tér bármely pontjában: E = H. Ha olyan koordinátarendszert választunk, hogy a z tengely egybeessen a térbeli terjedési irányával. elektromágneses hullám, két különböző lehetőség van az elektromos térerősség vektorok irányára. Ha az eklektikus mező az x tengely mentén irányul, akkor a mágneses mező az y tengely mentén irányul, és fordítva. Ez a két különböző lehetőség nem zárja ki egymást, és két különböző polarizációnak felel meg. Ezt a kérdést részletesebben a Hullámpolarizáció című cikk tárgyalja. 
Spektrális tartományok kiemelt látható fénnyel A frekvenciától vagy hullámhossztól függően (ezek a mennyiségek egymáshoz kapcsolódnak) az elektromágneses hullámokat különböző tartományokba sorolják. A különböző tartományokban lévő hullámok különböző módon lépnek kölcsönhatásba a fizikai testekkel.
A legalacsonyabb frekvenciájú (vagy leghosszabb hullámhosszúságú) elektromágneses hullámok osztályozása a rádió hatótávolsága. A rádió hatótávolsága jelek továbbítására szolgál rádión, televízión és mobiltelefonon keresztül. A radar a rádió hatótávolságában működik. A rádió hatótávolsága az elektromágneses hullám hosszától függően méterre, kockaméterre, centiméterre, milliméterre van felosztva.
Az elektromágneses hullámok valószínűleg az infravörös tartományba tartoznak. A test hősugárzása az infravörös tartományba esik. Ennek a rezgésnek a regisztrálása az éjjellátó készülékek működésének alapja. Az infravörös hullámokat a testek hőrezgésének tanulmányozására használják, és segítenek meghatározni a szilárd anyagok, gázok és folyadékok atomi szerkezetét.
A 400 nm és 800 nm közötti hullámhosszú elektromágneses sugárzás a látható fény tartományába tartozik. A látható fény színe a frekvenciától és a hullámhossztól függően változik.
A 400 nm-nél kisebb hullámhosszakat nevezzük ultraibolya. Az emberi szem nem tudja megkülönböztetni őket, bár tulajdonságaik nem különböznek a látható hullámok tulajdonságaitól. Az ilyen fény magasabb frekvenciája, és ennek következtében a kvantum energiája az ultraibolya hullámok pusztítóbb hatásához vezet a biológiai objektumokra. A földfelszínt az ózonréteg védi az ultraibolya hullámok káros hatásaitól. További védelem érdekében a természet sötét bőrrel ruházta fel az embereket. Az embereknek azonban ultraibolya sugárzásra van szükségük a D-vitamin előállításához. Ez az oka annak, hogy az északi szélességi körökben élők, ahol az ultraibolya hullámok intenzitása kisebb, elvesztették sötét bőrszínüket.
A magasabb frekvenciájú elektromágneses hullámok tartoznak röntgen hatótávolság. Azért nevezik őket így, mert Röntgen fedezte fel őket az elektronok lassulása során keletkező sugárzás tanulmányozása során. A külföldi irodalomban az ilyen hullámokat általában ún röntgensugarak tiszteletben tartva Röntgen kívánságát, hogy a sugarakat ne róla nevezzék el. A röntgenhullámok gyengén kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, erősebben nyelődnek el ott, ahol a sűrűség nagyobb. Ezt a tényt az orvostudományban röntgen-fluorográfiára használják. A röntgenhullámokat elemanalízisre és a kristálytestek szerkezetének tanulmányozására is használják.
A legmagasabb frekvencia és a legrövidebb hosszúság ?-sugarak. Az ilyen sugarak magreakciók és elemi részecskék közötti reakciók eredményeként jönnek létre. A ?-sugarak nagy romboló hatással vannak a biológiai objektumokra. A fizikában azonban az atommag különféle jellemzőinek tanulmányozására használják őket.
Az elektromágneses hullám energiáját az elektromos és a mágneses mező energiáinak összege határozza meg. Az energiasűrűséget a tér egy bizonyos pontjában a következő kifejezés adja meg:
.
Az idő szerinti átlagos energiasűrűség egyenlő.
,
Ahol E 0 = H 0 a hullám amplitúdója.
Az elektromágneses hullám energiaáram-sűrűsége fontos. Különösen az optika fényáramát határozza meg. Az elektromágneses hullám energiaáram-sűrűségét az Umov-Poynting vektor határozza meg.
Az elektromágneses hullámok közegben való terjedésének számos jellemzője van az ürességben való terjedéshez képest. Ezek a tulajdonságok a közeg tulajdonságaihoz kapcsolódnak, és általában az elektromágneses hullám frekvenciájától függenek. A hullám elektromos és mágneses komponensei a közeg polarizációját és mágnesezettségét okozzák. A közegnek ez a reakciója eltérő az alacsony és magas frekvenciák esetében. Az elektromágneses hullám alacsony frekvenciájánál az anyag elektronjainak és ionjainak van idejük reagálni az elektromos és mágneses mezők intenzitásának változásaira. A közeg válasza az időbeli ingadozásokat hullámokká követi. Nagy frekvencián az anyag elektronjainak és ionjainak nincs idejük elmozdulni a hullámterek rezgésének időszakában, ezért a közeg polarizációja és mágnesezettsége sokkal kisebb.
Az alacsony frekvenciájú elektromágneses tér nem hatol át a fémeken, ahol sok szabad elektron van, amelyek így elmozdulnak, és teljesen tompítják az elektromágneses hullámot. Egy elektromágneses hullám kezd behatolni a fémbe egy bizonyos frekvencia felett, amelyet plazmafrekvenciának nevezünk. A plazmafrekvenciánál alacsonyabb frekvenciákon az elektromágneses hullám áthatolhat a fém felületi rétegén. Ezt a jelenséget bőrhatásnak nevezik.
A dielektrikumban az elektromágneses hullám diszperziós törvénye megváltozik. Ha az elektromágneses hullámok vákuumban állandó amplitúdóval terjednek, akkor a közegben az abszorpció miatt csillapodik. Ebben az esetben a hullám energiája a közeg elektronjaira vagy ionjaira kerül át. Összességében a diszperziós törvény mágneses hatások hiányában a formát ölti
Ahol a k hullámszám egy komplex mennyiség, amelynek képzeletbeli része az elektromágneses hullám amplitúdójának csökkenését írja le, ott a közeg frekvenciafüggő komplex dielektromos állandója.
Anizotróp közegben az elektromos és mágneses térerősség vektorok iránya nem feltétlenül merőleges a hullámterjedés irányára. Az elektromos és mágneses indukciós vektorok iránya azonban megőrzi ezt a tulajdonságát.
Bizonyos körülmények között egy másik típusú elektromágneses hullám is terjedhet a közegben - hosszanti elektromágneses hullám, amelynél az elektromos térerősség vektorának iránya egybeesik a hullám terjedési irányával.
A huszadik század elején a fekete test sugárzásának spektrumának magyarázata érdekében Max Planck azt javasolta, hogy az elektromágneses hullámokat a frekvenciával arányos energiájú kvantumok bocsátják ki. Néhány évvel később Albert Einstein a fotoelektromos hatás jelenségét magyarázva kibővítette ezt az elképzelést, és arra utalt, hogy az elektromágneses hullámokat ugyanazok a kvantumok nyelték el. Így világossá vált, hogy az elektromágneses hullámokat olyan tulajdonságok jellemzik, amelyeket korábban az anyagi részecskéknek, testtesteknek tulajdonítottak.
Ezt az elképzelést hullám-részecske kettősségnek nevezik.
Kevesen tudják, hogy az elektromágneses természetű sugárzás az egész Univerzumot áthatja. Az elektromágneses hullámok akkor keletkeznek, amikor az űrben terjednek. A hullámok rezgési frekvenciájától függően feltételesen felosztják látható fényre, rádiófrekvenciás spektrumra, infravörös tartományokra stb. Az elektromágneses hullámok gyakorlati létezését 1880-ban kísérletileg bizonyította G. Hertz német tudós (egyébként a a gyakoriság mértékegysége róla nevezték el).
Egy fizika tantárgyból tudjuk, hogy mi az anyag különleges fajtája. Annak ellenére, hogy látással csak egy kis része látható, óriási a hatása az anyagi világra. Az elektromágneses hullámok a mágneses és elektromos térerősség kölcsönható vektorainak szekvenciális terjedése a térben. A „terjedés” szó azonban ebben az esetben nem teljesen helytálló: sokkal inkább a tér hullámszerű zavaráról beszélünk. Az elektromágneses hullámok generálásának oka egy elektromos mező megjelenése a térben, amely idővel változik. És, mint tudod, közvetlen kapcsolat van az elektromos és a mágneses mezők között. Elég emlékezni arra a szabályra, amely szerint bármely áramvezető vezeték körül mágneses tér van. Az elektromágneses hullámok által érintett részecske oszcillálni kezd, és mivel mozgás van, ez azt jelenti, hogy energiasugárzás van. Az elektromos tér átkerül egy szomszédos, nyugalmi állapotban lévő részecskére, aminek eredményeként ismét elektromos jellegű mező keletkezik. És mivel a mezők összekapcsolódnak, a mágneses mezők jelennek meg ezután. A folyamat lavinaként terjed. Ebben az esetben nincs valódi mozgás, csak a részecskék rezgései.
A fizikusok régóta gondolkodnak ennek gyakorlati felhasználásának lehetőségén. A modern világban az elektromágneses hullámok energiáját olyan széles körben használják, hogy sokan észre sem veszik, természetesnek veszik. Kirívó példa erre a rádióhullámok, amelyek nélkül a televíziók és a mobiltelefonok működése lehetetlen lenne.
A folyamat a következőképpen megy végbe: egy speciális alakú modulált fémvezetőt (antennát) folyamatosan továbbítanak Az elektromos áram tulajdonságai miatt a vezető körül elektromos, majd mágneses tér keletkezik, ami elektromágneses hullámok kibocsátását eredményezi. Mivel moduláltak, egy bizonyos sorrendű, kódolt információt hordoznak. A szükséges frekvenciák fogásához speciális kialakítású vevőantennát szerelnek fel a vevőre. Lehetővé teszi a szükséges frekvenciák kiválasztását az általános elektromágneses háttérből. A fém vevőn a hullámok részben az eredeti moduláció elektromos áramává alakulnak. Ezután az erősítő egységhez mennek, és vezérlik az eszköz működését (mozgatják a hangszórókúpot, forgatják az elektródákat a TV képernyőjén).
Az elektromágneses hullámokból keletkező áram jól látható. Ehhez elég, ha az antennától a vevőig futó kábel csupasz magja hozzáér a közös tömeghez (fűtőradiátor. Ebben a pillanatban egy szikra ugrik a talaj és a mag között - ez a megnyilvánulása a Az antenna által generált áram annál nagyobb, minél közelebb és erősebb az antenna konfigurációja.
Az elektromágneses hullámok másik megnyilvánulása, amellyel sokan naponta találkoznak a mindennapi életben, a mikrohullámú sütő használata. A forgó térerősség vonalak keresztezik a tárgyat, és energiájuk egy részét átadják, felmelegítve azt.
M. Faraday bemutatta a mező fogalmát:
álló töltés körül elektrosztatikus tér keletkezik,
A mozgó töltések (áram) körül mágneses tér keletkezik.
M. Faraday 1830-ban fedezte fel az elektromágneses indukció jelenségét: amikor a mágneses tér megváltozik, örvényes elektromos tér jelenik meg.
2.7 ábra – Vortex elektromos tér
Ahol, 
- elektromos térerősség vektor, 
- a mágneses indukció vektora.
A váltakozó mágneses tér örvényszerű elektromos mezőt hoz létre.
1862-ben D.K. Maxwell hipotézist terjesztett elő: amikor az elektromos tér megváltozik, örvény mágneses tér jelenik meg.
Felmerült az egyetlen elektromágneses mező ötlete.
2.8 ábra – Egységes elektromágneses tér.
A váltakozó elektromos tér örvényszerű mágneses teret hoz létre.
Elektromágneses mező- ez az anyag különleges formája - elektromos és mágneses mezők kombinációja. A váltakozó elektromos és mágneses mezők egyszerre léteznek, és egyetlen elektromágneses teret alkotnak. Ez anyag:
Álló és mozgó töltéseken is megnyilvánul;
Nagy, de véges sebességgel terjed;
Akaratunktól és vágyainktól függetlenül létezik.
Amikor a töltési sebesség nulla, csak elektromos tér van. Állandó töltési sebesség mellett elektromágneses tér keletkezik.
A töltés felgyorsult mozgásával elektromágneses hullámot bocsát ki, amely véges sebességgel terjed a térben .
Az elektromágneses hullámok ötletének kidolgozása Maxwellé, de Faraday már sejtette a létezésüket, bár félt kiadni a művet (több mint 100 évvel halála után olvasták).
Az elektromágneses hullám előfordulásának fő feltétele az elektromos töltések felgyorsult mozgása.
Az elektromágneses hullám egyszerűen szemléltethető a következő példával. Ha egy kavicsot dob a víz felszínére, hullámok képződnek a felszínen, körkörösen szétterülve. Eredetük (zavarásuk) forrásától bizonyos terjedési sebességgel mozognak. Az elektromágneses hullámok esetében a zavarok a térben mozgó elektromos és mágneses mezők. Az elektromágneses tér, amely idővel változik, szükségszerűen váltakozó mágneses tér megjelenését idézi elő, és fordítva. Ezek a mezők kölcsönösen összefüggenek.
Az elektromágneses hullámok spektrumának fő forrása a Napcsillag. Az elektromágneses hullámok spektrumának egy része az emberi szem számára látható. Ez a spektrum a 380...780 nm tartományba esik (2.1. ábra). A látható spektrumban a szem másképp érzékeli a fényt. A különböző hullámhosszú elektromágneses rezgések különböző színű fény érzetét keltik.
2.9. ábra - Elektromágneses hullámok spektruma
Az elektromágneses hullámspektrum egy részét rádiótelevíziós és kommunikációs célokra használják. Az elektromágneses hullámok forrása egy vezeték (antenna), amelyben elektromos töltések oszcillálnak. A terepképződés folyamata, amely a vezeték közelében kezdődött, fokozatosan, pontról pontra lefedi az egész teret. Minél nagyobb a vezetéken áthaladó, elektromos vagy mágneses teret létrehozó váltakozó áram frekvenciája, annál intenzívebbek a vezeték által keltett adott hosszúságú rádióhullámok.
Rádió(lat. rádió - sugároz, sugároz sugarakat ← sugár - sugár) - a vezeték nélküli kommunikáció egyik fajtája, amelyben a térben szabadon terjedő rádióhullámokat jelhordozóként használják.
Rádióhullámok(rádióból...), 500 µm-nél nagyobb hullámhosszú elektromágneses hullámok (frekvencia)< 6×10 12 Гц).
A rádióhullámok elektromos és mágneses mezők, amelyek idővel változnak. A rádióhullámok terjedési sebessége a szabad térben 300 000 km/s. Ebből meghatározható a rádióhullámhossz (m).
λ=300/f, ahol - frekvencia (MHz)
A telefonbeszélgetés során a levegőben keletkező hangrezgéseket a mikrofon átalakítja elektromos hangfrekvenciás rezgésekké, amelyeket vezetékeken keresztül továbbítanak az előfizető berendezéséhez. Ott, a vonal másik végén a telefonkibocsátó segítségével levegőrezgéssé alakítják át, amit az előfizető hangként érzékel. A telefonálásban az áramkör kommunikációs eszközei a vezetékek, a rádióműsorszórásban - a rádióhullámok.
Bármely rádióállomás adójának „szíve” egy generátor - egy olyan eszköz, amely magas, de szigorúan állandó frekvenciájú rezgéseket hoz létre egy adott rádióállomás számára. Ezek a rádiófrekvenciás rezgések a szükséges teljesítményre felerősítve belépnek az antennába, és pontosan azonos frekvenciájú elektromágneses oszcillációkat - rádióhullámokat - gerjesztenek az azt körülvevő térben. A rádióállomás antennájától távolodó rádióhullámok sebessége megegyezik a fény sebességével: 300 000 km/s, ami csaknem milliószor gyorsabb, mint a hang levegőben való terjedése. Ez azt jelenti, hogy ha az adót egy bizonyos időpontban bekapcsolták a moszkvai műsorszóró állomáson, akkor rádióhullámai kevesebb, mint 1/30 s alatt elérik Vlagyivosztokot, és a hangnak ez idő alatt csak 10-10-ig lesz ideje terjedni. 11 m.
A rádióhullámok nemcsak a levegőben terjednek, hanem ott is, ahol nincs levegő, például a világűrben. Ez különbözteti meg őket a hanghullámoktól, amelyekhez feltétlenül levegőre vagy más sűrű közegre, például vízre van szükség.
Elektromágneses hullám
– térben terjedő elektromágneses tér (vektorok rezgései 
). A töltés közelében az elektromos és a mágneses tér p/2 fáziseltolással változik.
2.10. ábra – Egységes elektromágneses tér.
A töltéstől nagy távolságban az elektromos és a mágneses mező fázisban változik.
2.11. ábra - Az elektromos és mágneses mezők fázisbeli változása.
Az elektromágneses hullám keresztirányú.
Az elektromágneses hullám sebességének iránya egybeesik a jobb oldali csavar mozgási irányával a vektoros karmantyú elfordításakor 
vektorhoz 
.
2.12. ábra - Elektromágneses hullám.
Ráadásul elektromágneses hullámban ez az összefüggés teljesül 
, ahol c a fény sebessége vákuumban.
Maxwell elméletileg kiszámította az elektromágneses hullámok energiáját és sebességét.
És így, a hullámenergia egyenesen arányos a frekvencia negyedik hatványával. Ez azt jelenti, hogy a hullám könnyebb észleléséhez magas frekvenciájúnak kell lennie.
Az elektromágneses hullámokat G. Hertz (1887) fedezte fel.
A zárt rezgőkör nem bocsát ki elektromágneses hullámokat: a kondenzátor elektromos mezőjének összes energiája a tekercs mágneses terének energiájává alakul. Az oszcillációs frekvenciát az oszcillációs áramkör paraméterei határozzák meg: 
.
2.13. ábra - Oszcillációs áramkör.
A frekvencia növeléséhez szükséges az L és C csökkentése, azaz. hajtsa ki a tekercset egyenes vezetékre, és mivel 
, csökkentse a lemezek területét, és távolítsa el őket egymástól a maximális távolságra. Ebből láthatjuk, hogy lényegében egyenes vezetőnk lesz.
Az ilyen eszközt Hertz vibrátornak nevezik. A közepét levágják és nagyfrekvenciás transzformátorhoz csatlakoztatják. A vezetékek végei között, amelyeken kis golyós vezetékek vannak rögzítve, elektromos szikra ugrik, amely az elektromágneses hullám forrása. A hullám úgy terjed, hogy az elektromos térerősség-vektor abban a síkban oszcillál, amelyben a vezető található.
2.14 ábra - Hertz vibrátor.
Ha ugyanazt a vezetőt (antennát) párhuzamosan helyezi el az emitterrel, akkor a benne lévő töltések oszcillálni kezdenek, és gyenge szikrák ugrálnak a vezetők között.
Hertz kísérleti úton fedezte fel az elektromágneses hullámokat, és megmérte a sebességüket, amely egybeesett a Maxwell által kiszámított értékkel, és egyenlő c = 3-mal. 10 8 m/s.
A váltakozó elektromos tér váltakozó mágneses teret hoz létre, amely viszont váltakozó elektromos teret hoz létre, vagyis az egyik mezőt gerjesztő antenna egyetlen elektromágneses mező megjelenését okozza. Ennek a mezőnek a legfontosabb tulajdonsága, hogy elektromágneses hullámok formájában terjed.
Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége veszteségmentes közegben a közeg relatív dielektromos és mágneses permeabilitásának függvénye. Levegő esetében a közeg mágneses permeabilitása egyenlő az egységgel, ezért az elektromágneses hullámok terjedési sebessége ebben az esetben megegyezik a fény sebességével.
Az antenna lehet függőleges vezeték, amelyet nagyfrekvenciás generátor táplál. A generátor energiát fordít a szabad elektronok mozgásának felgyorsítására a vezetőben, és ez az energia váltakozó elektromágneses mezővé, azaz elektromágneses hullámokká alakul. Minél nagyobb a generátoráram frekvenciája, annál gyorsabban változik az elektromágneses tér és annál intenzívebb a hullámok gyógyulása.
Az antennavezetékhez egy elektromos tér is társul, melynek erővonalai pozitív töltéseken kezdődnek és negatív töltéseken végződnek, valamint egy mágneses tér, amelynek vonalai a vezeték árama körül záródnak. Minél rövidebb az oszcillációs periódus, annál kevesebb idő marad a kötött mezők energiájának visszatérésére a vezetékbe (vagyis a generátorba), és annál inkább szabad mezőkké alakul, amelyek tovább terjednek elektromágneses hullámok formájában. Az elektromágneses hullámok hatékony kisugárzása akkor következik be, ha a hullámhossz és a kibocsátó vezeték hossza arányos.
Így megállapítható, hogy Rádió hullám- ez egy elektromágneses mező, amely nem kapcsolódik az emitterhez és a csatornaképző eszközökhöz, és szabadon terjed a térben hullám formájában, 10 -3 és 10 12 Hz közötti rezgési frekvenciával.
Az antennában az elektronok rezgését egy periodikusan változó emf-forrás hozza létre egy periódussal. T. Ha egy pillanatban az antenna mezőjének maximális értéke volt, akkor egy idő után ugyanaz lesz T. Ezalatt az antennánál kezdetben létező elektromágneses mező egy távolságra elmozdul
λ = υТ (1)
A tér két olyan pontja közötti minimális távolságot nevezzük, ahol a mező azonos értékű hullámhossz. Amint az (1)-ből következik, a hullámhossz λ terjedésének sebességétől és az antennában lévő elektronok rezgési periódusától függ. Mert frekvencia jelenlegi f = 1/T, majd a hullámhossz λ = υ / f .
A rádiókapcsolat a következő fő részeket tartalmazza:
Adó
Vevő
Az a környezet, amelyben a rádióhullámok terjednek.
Az adó és a vevő egy rádiókapcsolat vezérelhető elemei, mivel növelheti az adó teljesítményét, csatlakoztathat egy hatékonyabb antennát és növelheti a vevő érzékenységét. A közeg a rádiókapcsolat ellenőrizetlen eleme.
A rádiós kommunikációs vonal és a vezetékes vonal között az a különbség, hogy a vezetékes vonalakban a vezetékek vagy kábelek, amelyek vezérelhető elemek (elektromos paramétereik változtathatók), összekötő linkként szolgálnak.
Általános fogalmak az elektromágneses hullámokról
A mai leckében egy olyan szükséges témát fogunk megvizsgálni, mint az elektromágneses hullámok. Ez a téma pedig már csak azért is fontos, mert egész modern életünk a televíziózáshoz, a rádiózáshoz és a mobilkommunikációhoz kötődik. Ezért érdemes hangsúlyozni, hogy mindez az elektromágneses hullámok hatására valósul meg.
Most térjünk át az elektromágneses hullámokkal kapcsolatos kérdés részletesebb vizsgálatára, és mindenekelőtt hangot adunk az ilyen hullámok meghatározásának.
Mint már tudjátok, a hullám egy térben terjedő zavar, vagyis ha valahol valamilyen zavar keletkezett és minden irányba terjed, akkor azt mondhatjuk, hogy ennek a zavarnak a terjedése nem más, mint hullámjelenség.
Az elektromágneses hullámok olyan elektromágneses rezgések, amelyek a térben véges sebességgel terjednek, ami a közeg tulajdonságaitól függ. Más szóval azt mondhatjuk, hogy az elektromágneses hullám egy térben terjedő elektromágneses tér vagy elektromágneses zavar.
Kezdjük azzal a ténnyel, hogy az elektromágneses tér elektromágneses hullámainak elméletét először James Maxwell angol tudós alkotta meg. A legérdekesebb és legérdekesebb ebben a munkában az, hogy kiderül, hogy elektromos és mágneses mezők, mint tudják, és mivel bizonyítottan együtt léteznek. De kiderül, hogy teljesen létezhetnek bármilyen anyag hiányában. Ezt a nagyon fontos következtetést James Clerk Maxwell munkáiban vonta le.
Kiderült, hogy elektromágneses tér ott is létezhet, ahol nincs anyag. Azt mondtuk nektek, hogy a hanghullámok csak ott vannak, ahol van közeg. Vagyis a részecskékkel fellépő rezgések csak ott tudnak átadni, ahol vannak olyan részecskék, amelyek képesek átvinni ezt a zavart.
De ami az elektromágneses mezőt illeti, ott létezhet, ahol nincs anyag és nincsenek részecskék. Tehát az elektromágneses tér vákuumban létezik, ami azt jelenti, hogy ha bizonyos feltételeket teremtünk, és mintegy általános elektromágneses zavart tudunk létrehozni a térben, akkor ennek megfelelően ez a zavar minden irányba terjedhet. És pontosan ez lesz az elektromágneses hullámunk.
Az első ember, aki képes volt elektromágneses hullámot kibocsátani és elektromágneses hullámot fogadni, Heinrich Hertz német tudós volt. Ő volt az első, aki ilyen installációt készített elektromágneses hullámok sugárzására és vételére.
Az első dolog, amit itt el kell mondanunk, hogy elektromágneses hullám kibocsátásához természetesen elég gyorsan mozgó elektromos töltésre van szükségünk. Létre kell hoznunk egy olyan eszközt, ahol nagyon gyorsan mozgó vagy felgyorsult elektromos töltés lesz.
Heinrich Hertz kísérletei segítségével bebizonyította, hogy egy erős és meglehetősen észrevehető elektromágneses hullám eléréséhez egy mozgó elektromos töltésnek nagyon magas frekvencián, azaz több tízezer hertz nagyságrendben kell rezegnie. Hangsúlyozni kell azt is, hogy ha a töltésnél ilyen oszcilláció lép fel, akkor körülötte váltakozó elektromágneses tér keletkezik, amely minden irányba terjed. Vagyis ez egy elektromágneses hullám lesz.
Az elektromágneses hullámok tulajdonságai
Azt a tényt is meg kell jegyezni, hogy az elektromágneses hullámnak természetesen vannak bizonyos tulajdonságai, és ezeket a tulajdonságokat Maxwell munkái pontosan jelezték.
Azt is meg kell jegyezni, hogy az elektromágneses hullámok tulajdonságai bizonyos különbségeket mutatnak, és nagyon függenek a hosszától is. A tulajdonságoktól és a hullámhossztól függően az elektromágneses hullámokat tartományokra osztják. Meglehetősen tetszőleges léptékük van, mivel a szomszédos tartományok általában átfedik egymást.
Azt is hasznos tudni, hogy egyes területeknek vannak közös tulajdonságai. Ezek a tulajdonságok a következők:
Behatolási képesség;
nagy terjedési sebesség az anyagban;
az emberi testre gyakorolt pozitív és negatív hatás stb.
Az elektromágneses hullámok típusai közé tartoznak a rádióhullámok, az ultraibolya és infravörös tartományok, a látható fény, valamint a röntgensugarak, a gamma-sugárzás és mások.
Most figyelmesen nézzük meg az alábbi táblázatot, és tanulmányozzuk részletesebben, hogyan osztályozhatók az elektromágneses hullámok, milyen típusú sugárzások vannak, sugárzási források, valamint gyakoriságuk:
Érdekes tények az elektromágneses hullámokról
Valószínűleg senki előtt nem lesz titok, hogy a minket körülvevő teret elektromágneses sugárzás hatja át. Az ilyen sugárzás nemcsak a telefon- és rádióantennákhoz kapcsolódik, hanem a minket körülvevő testekhez, a Földhöz, a Naphoz és a csillagokhoz is. Az elektromágneses hullámoknak az oszcilláció frekvenciájától függően eltérő neveik lehetnek, de a lényegük hasonló. Ilyen elektromágneses hullámok közé tartoznak a rádióhullámok, az infravörös sugárzás, a látható fény, a röntgensugarak, valamint a biomezősugarak.
Az ilyen korlátlan energiaforrás, mint az elektromágneses mező, ingadozásokat okoz az atomok és molekulák elektromos töltéseiben. Ebből következik, hogy rezgéskor a töltés gyorsulással mozog, és egyben elektromágneses hullámokat bocsát ki.
Az elektromágneses hullámok hatása az emberi egészségre
A tudósokat évek óta foglalkoztatja az elektromágneses mezőknek az emberek, állatok és növények egészségére gyakorolt hatásának problémája, ezért sok időt fordítanak ennek a problémának a kutatására és tanulmányozására.
Valószínűleg mindegyikőtök járt már diszkóban, és észrevette, hogy az ultraibolya lámpák hatására a világos színű ruhák világítani kezdtek. Ez a fajta sugárzás nem jelent veszélyt az élő szervezetekre.
De amikor szoláriumot látogat vagy orvosi célú ultraibolya lámpákat használ, szemvédőt kell használni, mivel az ilyen expozíció rövid távú látásvesztést okozhat.
Ezenkívül a helyiségek fertőtlenítésére használt ultraibolya baktériumölő lámpák használatakor rendkívül óvatosnak kell lennie, és használatukkor el kell hagynia a helyiséget, mivel negatívan hatnak az emberi bőrre, valamint a növényekre, levélégést okozva.
De a minket körülvevő sugárforrások és különféle eszközök mellett az emberi szervezetnek is megvan a maga elektromos és mágneses mezője. De azt is tudnia kell, hogy az emberi testben az elektromágneses mezők élete során folyamatosan változnak.
Egy személy elektromágneses mezőjének meghatározásához olyan precíz eszközt használnak, mint az encephalográf. Ezzel az eszközzel pontosan megmérheti egy személy elektromágneses mezőjét, és meghatározhatja aktivitását az agykéregben. Az olyan eszköz megjelenésének köszönhetően, mint az encephalográf, lehetővé vált a különböző betegségek diagnosztizálása még korai szakaszban is.
A hullámfolyamatok számos mintázata univerzális természetű, és egyformán érvényes a különböző természetű hullámokra: mechanikai hullámok rugalmas közegben, hullámok víz felszínén, kifeszített húrban stb. Az elektromágneses hullámok, amelyek a hullámok terjedésének folyamata Az elektromágneses mező rezgései sem kivételek. De eltérően más típusú hullámoktól, amelyek terjedése valamilyen anyagi közegben történik, az elektromágneses hullámok terjedhetnek az ürességben: az elektromos és mágneses mezők terjedéséhez nincs szükség anyagi közegre. Az elektromágneses hullámok azonban nemcsak vákuumban létezhetnek, hanem anyagban is.
Az elektromágneses hullámok előrejelzése. Az elektromágneses hullámok létezését Maxwell elméletileg az elektromágneses teret leíró javasolt egyenletrendszerének elemzése eredményeként jósolta meg. Maxwell kimutatta, hogy vákuumban elektromágneses mező létezhet források - töltések és áramok - hiányában. A források nélküli mezőnek véges, cm/s sebességgel terjedő hullámformája van, amelyben az elektromos és mágneses mező vektorai minden időpillanatban a tér minden pontjában merőlegesek egymásra és merőlegesek a tér irányára. a hullámok terjedése.
Az elektromágneses hullámokat kísérleti úton fedezte fel és tanulmányozta a Hertz, csak 10 évvel Maxwell halála után.
Nyissa ki a vibrátort. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehet kísérleti úton elektromágneses hullámokat nyerni, vegyünk egy „nyitott” oszcillációs áramkört, amelyben a kondenzátor lemezei el vannak távolítva (176. ábra), és ezért az elektromos mező nagy teret foglal el. A lemezek közötti távolság növekedésével a kondenzátor C kapacitása csökken, és a Thomson-képletnek megfelelően a természetes rezgések gyakorisága nő. Ha az induktivitást is kicseréljük egy drótdarabra, akkor az induktivitás csökken, a természetes rezgések frekvenciája pedig még tovább nő. Ebben az esetben nemcsak az elektromos, hanem a mágneses tér is, amely korábban a tekercs belsejében volt, most egy nagy területet fog elfoglalni, amely ezt a vezetéket lefedi.
Az áramkörben az oszcillációk gyakoriságának növekedése, valamint a lineáris méreteinek növekedése azt a tényt eredményezi, hogy a természetes periódus
Az oszcilláció összehasonlíthatóvá válik az elektromágneses tér terjedésének idejével a teljes áramkörben. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen nyitott áramkörben a természetes elektromágneses rezgések folyamatai már nem tekinthetők kvázi-stacionáriusnak.
Rizs. 176. Áttérés rezgőkörről nyitott vibrátorra
Az áram erőssége különböző helyeken egyidejűleg eltérő: az áramkör végein mindig nulla, középen (ahol korábban a tekercs volt) pedig maximális amplitúdóval rezeg.
Abban a határesetben, amikor az oszcilláló áramkör egyszerűen egy darab egyenes huzallá alakult, az áramkör egy adott időpontban történő eloszlását a 1. ábra mutatja. 177a. Abban a pillanatban, amikor egy ilyen vibrátorban az áramerősség maximális, a körülvevő mágneses tér is eléri a maximumot, és a vibrátor közelében nincs elektromos tér. A periódus negyede után az áramerősség nullára megy, és ezzel együtt a mágneses tér is a vibrátor közelében; Az elektromos töltések a vibrátor végei közelében koncentrálódnak, és eloszlásuk az ábrán látható formában van. 1776. Az elektromos tér a vibrátor közelében ebben a pillanatban maximális.
Rizs. 177. Az áram eloszlása nyitott vibrátor mentén abban a pillanatban, amikor az maximális (a), és a töltések eloszlása az időszak negyede után (b)
Ezek a töltés- és áramoszcillációk, vagyis a nyitott vibrátorban fellépő elektromágneses rezgések meglehetősen hasonlítanak azokhoz a mechanikai rezgésekhez, amelyek az oszcillátorrugóban léphetnek fel, ha a hozzá kapcsolódó hatalmas testet eltávolítják. Ebben az esetben figyelembe kell venni a rugó egyes részeinek tömegét, és elosztott rendszernek kell tekinteni, amelyben minden elem rugalmas és inert tulajdonságokkal rendelkezik. Nyitott elektromágneses vibrátor esetén minden eleme egyidejűleg rendelkezik induktivitás és kapacitás is.
A vibrátor elektromos és mágneses mezői. A nyitott vibrátor rezgésének nem kvázi-stacionárius jellege ahhoz vezet, hogy az egyes szakaszok által a vibrátortól bizonyos távolságban létrehozott mezők már nem kompenzálják egymást, mint a „zárt” oszcillációs áramkör esetében. csomósított paraméterek, ahol az oszcillációk kvázi-stacionáriusak, az elektromos tér teljes egészében a kondenzátor belsejében koncentrálódik, a mágneses pedig a tekercsben van. Az elektromos és mágneses mezők e térbeli szétválása miatt nem kapcsolódnak közvetlenül egymáshoz: kölcsönös átalakulásuk csak az áramnak - az áramkör mentén történő töltésátvitelnek - köszönhető.
Nyitott vibrátorban, ahol az elektromos és a mágneses mező átfedi egymást a térben, kölcsönös hatásuk következik be: a változó mágneses tér örvényvillamos teret, a változó elektromos tér pedig mágneses teret hoz létre. Ennek eredményeként a vibrátortól nagy távolságban szabad térben terjedő „önfenntartó” mezők létezése válik lehetővé. Ezek a vibrátor által kibocsátott elektromágneses hullámok.
Hertz kísérletei. A vibrátor, amelynek segítségével G. Hertz 1888-ban először kísérletileg szerzett elektromágneses hullámokat, egyenes vezető volt, középen kis légréssel (178a. ábra). Ennek a résnek köszönhetően jelentős töltéseket lehetett átadni a vibrátor két felének. Amikor a potenciálkülönbség elért egy bizonyos határértéket, a légrésben meghibásodás történt (szikra ugrott), és az ionizált levegőn keresztül elektromos töltések áramolhattak a vibrátor egyik feléből a másikba. Nyitott áramkörben elektromágneses rezgések keletkeztek. Annak érdekében, hogy gyors váltakozó áramok csak a vibrátorban létezzenek, és ne zárják rövidre az áramforrást, fojtótekercseket kell csatlakoztatni a vibrátor és a forrás közé (lásd 178a. ábra).
Rizs. 178. Hertz vibrátor
A vibrátorban magas frekvenciájú rezgések mindaddig léteznek, amíg a szikra bezárja a felei közötti rést. Az ilyen rezgések csillapítása a vibrátorban elsősorban nem az ellenállás Joule-veszteségei miatt következik be (mint egy zárt oszcillációs körben), hanem az elektromágneses hullámok sugárzása miatt.
Az elektromágneses hullámok észlelésére a Hertz egy második (vevő) vibrátort használt (1786. ábra). Az emitterből érkező hullám váltakozó elektromos mezőjének hatására a vevő vibrátorban lévő elektronok kényszerrezgéseket hajtanak végre, azaz a vibrátorban gyorsan váltakozó áramot gerjesztenek. Ha a vevővibrátor méretei megegyeznek a kibocsátóéval, akkor a bennük lévő természetes elektromágneses rezgések frekvenciája egybeesik, és a vevővibrátorban a kényszerrezgés a rezonancia hatására észrevehető értéket ér el. A Hertz ezeket az oszcillációkat a vevővibrátor közepén lévő mikroszkopikus résben lévő szikra megcsúszásával, vagy a vibrátor felei közé csatlakoztatott miniatűr G gázkisülési cső izzásával észlelte.
A Hertz nemcsak kísérletileg bizonyította az elektromágneses hullámok létezését, hanem először kezdte el tanulmányozni tulajdonságaikat - abszorpció és fénytörés különböző közegekben, visszaverődés fémfelületekről stb.. Kísérletileg az elektromágneses hullámok sebességének mérésére is lehetőség nyílt, amiről kiderült, hogy egyenlő a fénysebességgel.
Az elektromágneses hullámok sebességének jóval felfedezésük előtt mért fénysebességgel való egybeesése szolgált kiindulópontul a fény elektromágneses hullámokkal való azonosításához és a fény elektromágneses elméletének megalkotásához.
Az elektromágneses hullám térforrások nélkül létezik abban az értelemben, hogy kibocsátása után a hullám elektromágneses tere nem kapcsolódik a forráshoz. Így különbözik az elektromágneses hullám a statikus elektromos és mágneses mezőktől, amelyek a forráson kívül nem léteznek.
Az elektromágneses hullámok sugárzásának mechanizmusa. Az elektromágneses hullámok kibocsátása az elektromos töltések felgyorsult mozgásával történik. A J. Thomson által javasolt alábbi egyszerű érveléssel megértheti, hogyan keletkezik egy hullám keresztirányú elektromos tere egy ponttöltés sugárirányú Coulomb-teréből.
Rizs. 179. Helyhez kötött ponttöltés tere
Tekintsük a ponttöltés által létrehozott elektromos teret Ha a töltés nyugalmi állapotban van, akkor annak elektrosztatikus terét a töltésből kiinduló sugárirányú erővonalak ábrázolják (179. ábra). Hadd induljon el a töltés abban a pillanatban, valamilyen külső erő hatására a gyorsulással, és egy idő után ennek az erőnek a hatása leáll, így a töltés egyenletesen mozog a sebességgel ábrán látható a töltés mozgása. 180.
Képzeljünk el egy képet a töltés által létrehozott elektromos térvonalakról, hosszú idő után, mivel az elektromos tér c fénysebességgel terjed,
akkor a töltés mozgása okozta elektromos térváltozás nem érhetett el a sugárgömbön kívül eső pontokat: ezen a gömbön kívül a tér ugyanaz, mint az álló töltésnél (181. ábra). Ennek a mezőnek az erőssége (a Gauss-féle mértékegységrendszerben) egyenlő
Az elektromos tér teljes változása, amelyet a töltés időbeli felgyorsult mozgása okoz egy időpillanatban, egy vékony, gömb alakú vastagságú réteg belsejében helyezkedik el, amelynek külső sugara egyenlő és a belső sugara - Ez az ábrán látható. 181. Egy sugarú gömbön belül az elektromos tér az egyenletesen mozgó töltés tere.
Rizs. 180. Töltési sebesség grafikon
Rizs. 181. ábra grafikonja szerint mozgó töltés elektromos térerősségének vonalai. 180
Rizs. 182. Levezetni a gyorsított mozgó töltés sugárzási térerősségének képletét
Ha a töltés sebessége jóval kisebb, mint a c fénysebesség, akkor ez a mező az időpillanatban egybeesik a kezdettől távolabb elhelyezkedő stacionárius ponttöltés mezőjével (181. ábra): az a mező Az állandó sebességgel lassan mozgó töltés együtt mozog vele, és a töltés által megtett távolság az idő függvényében, amint az az ábrán látható. 180, egyenlőnek tekinthető, ha g»t.
A gömbrétegen belüli elektromos tér mintázata könnyen megtalálható, figyelembe véve a térvonalak folytonosságát. Ehhez össze kell kötni a megfelelő sugárirányú erővonalakat (181. ábra). A töltés felgyorsult mozgása miatt az erővonalak törése c sebességgel „elszalad” a töltéstől. Megtört az elektromos vezetékek között
gömbök, ez a számunkra érdekes sugárzási mező, amely c sebességgel terjed.
A sugárzási tér meghatározásához vegyük figyelembe az egyik intenzitásvonalat, amely bizonyos szöget zár be a töltésmozgás irányával (182. ábra). Bontsuk fel az E törésnél lévő elektromos térerősség vektort két komponensre: radiális és keresztirányú A radiális komponens a tőle távolabb eső töltés által létrehozott elektrosztatikus tér erőssége:
A keresztirányú komponens a gyorsított mozgás során a töltés által kibocsátott hullám elektromos térerőssége. Mivel ez a hullám egy sugár mentén halad, a vektor merőleges a hullám terjedési irányára. ábrából 182 egyértelmű, hogy
Helyettesítve itt (2) azt találjuk
Tekintettel arra, hogy az arány az a gyorsulás, amellyel a töltés a 0-tól eltelt idő alatt elmozdult, ezt a kifejezést átírjuk a következő alakba
Mindenekelőtt figyeljünk arra, hogy egy hullám elektromos térereje fordított arányban csökken a középponttól való távolsággal, ellentétben az elektrosztatikus térerősséggel, amely arányos az elvárt távolságfüggéssel. ha figyelembe vesszük az energiamegmaradás törvényét. Mivel a hullám vákuumban terjedésekor nem történik energiaelnyelés, a tetszőleges sugarú gömbön áthaladó energia mennyisége azonos. Mivel egy gömb felülete arányos a sugara négyzetével, az energiaáramlásnak a felülete egységén keresztül fordítottan arányosnak kell lennie a sugár négyzetével. Figyelembe véve, hogy a hullám elektromos mezőjének energiasűrűsége egyenlő, arra a következtetésre jutunk, hogy
Ezután megjegyezzük, hogy a (4) képletben szereplő hullám térerőssége az adott pillanatban a töltés gyorsulásától függ, és abban az időpontban, amikor az adott pillanatban kibocsátott hullám elér egy olyan pontot, amely egy távolságra egy idő egyenlő
Rezgő töltés kisugárzása. Tegyük fel most, hogy a töltés állandóan egy egyenes mentén mozog valamilyen változó gyorsulással a koordináták origója közelében, például harmonikus rezgéseket hajt végre. Ezután folyamatosan elektromágneses hullámokat bocsát ki. A hullám elektromos térerősségét a koordináták kezdőpontjától távolabb eső pontban továbbra is a (4) képlet határozza meg, és az időpillanatbeli térerősség az a töltés korábbi pillanatbeli gyorsulásától függ.
Legyen a töltés mozgása egy bizonyos A amplitúdóval és co frekvenciájú koordináták origója közelében harmonikus rezgés:
A töltés gyorsulását ilyen mozgás közben a kifejezés adja meg
A töltésgyorsulást az (5) képletbe behelyettesítve kapjuk
Az elektromos tér változása az ilyen hullám áthaladásának bármely pontján egy frekvenciájú harmonikus rezgést jelent, azaz egy rezgő töltés monokromatikus hullámot bocsát ki. Természetesen a (8) képlet az A töltés oszcillációinak amplitúdójához képest nagy távolságokra érvényes.
Elektromágneses hullámenergia. A töltés által kibocsátott monokromatikus hullám elektromos mezőjének energiasűrűsége a (8) képlet segítségével meghatározható:
Az energiasűrűség arányos a töltéslengés amplitúdójának és a frekvencia negyedik hatványának négyzetével.
Bármilyen ingadozás az energia időszakos átmeneteihez kapcsolódik egyik típusból a másikba és vissza. Például egy mechanikus oszcillátor rezgését a kinetikus energia és a rugalmas deformáció potenciális energiájának kölcsönös átalakulása kíséri. Az áramkör elektromágneses rezgésének vizsgálatakor azt láttuk, hogy a mechanikus oszcillátor potenciális energiájának analógja a kondenzátorban lévő elektromos mező energiája, a kinetikus energia analógja pedig a tekercs mágneses terének energiája. Ez az analógia nem csak a lokalizált rezgésekre érvényes, hanem a hullámfolyamatokra is.
Egy elasztikus közegben haladó monokromatikus hullámban a kinetikus és potenciális energiasűrűségek minden pontban dupla frekvenciájú harmonikus rezgésen mennek keresztül, így értékük bármikor egybeesik. Ugyanez a helyzet egy utazó monokromatikus elektromágneses hullámban is: az elektromos és mágneses mező energiasűrűsége, minden pontban egymással megegyező frekvenciájú harmonikus rezgést végrehajtva bármikor.
A mágneses mező energiasűrűségét B indukcióval fejezzük ki a következőképpen:
Egy utazó elektromágneses hullámban az elektromos és a mágneses mező energiasűrűségét egyenlővé téve, meggyőződésünk, hogy egy ilyen hullámban a mágneses tér indukciója ugyanúgy függ a koordinátáktól és az időtől, mint az elektromos térerősség. Más szóval, egy haladó hullámban a mágneses tér indukciója és az elektromos térerősség minden pillanatban megegyezik egymással (a Gauss-féle mértékegységrendszerben):
Elektromágneses hullám energiaáramlás. Az elektromágneses tér teljes energiasűrűsége egy haladó hullámban kétszerese az elektromos tér energiasűrűségének (9). A hullám által hordozott y energiaáram-sűrűség egyenlő az energiasűrűség és a hullám terjedési sebességének szorzatával. A (9) képlet segítségével láthatja, hogy az energiaáram bármely felületen frekvenciával oszcillál Az energiaáram-sűrűség átlagos értékének meghatározásához a (9) kifejezést idővel átlagolni kell. Mivel az átlagérték 1/2, akkor kapjuk
Rizs. 183. Az oszcilláló töltés által kibocsátott energia szögeloszlása
Az energiaáram sűrűsége a hullámban az iránytól függ: abban az irányban, amelyben a töltés oszcillál, a legnagyobb energiamennyiség az erre az irányra merőleges síkban bocsát ki ábrán látható egy oszcilláló töltéssel. 183. A töltés a tengely mentén oszcillál A koordináták origójából szakaszok rajzolódnak ki, amelyek hossza arányos az adott sugárzással.
az energia iránya, azaz a diagram egy vonalat mutat, amely e szakaszok végeit összeköti.
Az energia térbeli irányok szerinti eloszlását egy felület jellemzi, amelyet a diagram tengely körüli elforgatásával kapunk
Az elektromágneses hullámok polarizációja. A vibrátor által a harmonikus rezgések során keltett hullámot monokromatikusnak nevezzük. A monokromatikus hullámot bizonyos с frekvencia és X hullámhossz jellemzi. A hullámhossz és a frekvencia a hullámterjedés sebességén keresztül függ össze:
Az elektromágneses hullám vákuumban keresztirányú: a hullám elektromágneses térerősségének vektora, amint az a fenti érvekből is látható, merőleges a hullám terjedési irányára. Átmegyünk a P megfigyelési ponton az ábrán. 184 gömb, amelynek középpontja a koordináták origójában van, amely körül a sugárzó töltés a tengely mentén ingadozik. Vonjunk rá párhuzamokat és meridiánokat. Ekkor a hullámtér E vektora érintőlegesen a meridiánra irányul, a B vektor pedig merőleges az E vektorra és érintőlegesen a párhuzamosra.
Ennek igazolására vizsgáljuk meg részletesebben az elektromos és a mágneses mezők kapcsolatát egy utazó hullámban. Ezek a mezők a hullám kibocsátása után már nem kapcsolódnak a forráshoz. Amikor egy hullám elektromos tere megváltozik, mágneses tér jelenik meg, amelynek erővonalai, amint azt az elmozdulási áram vizsgálatakor láttuk, merőlegesek az elektromos erővonalakra. Ez a váltakozó mágneses tér változása egy örvény elektromos tér megjelenéséhez vezet, amely merőleges az azt létrehozó mágneses térre. Így, ahogy a hullám terjed, az elektromos és a mágneses mező támogatja egymást, és mindig egymásra merőlegesek maradnak. Mivel egy haladó hullámban az elektromos és a mágneses tér változása egymással fázisban történik, a hullám pillanatnyi „portréja” (az E és B vektorok a vonal különböző pontjain a terjedési irány mentén) a 2. ábrán látható alakot mutatják. . 185. Az ilyen hullámot lineárisan polarizáltnak nevezzük. A harmonikus rezgést végző töltés minden irányban lineárisan polarizált hullámokat bocsát ki. Egy tetszőleges irányban haladó lineárisan polarizált hullámban az E vektor mindig ugyanabban a síkban van.
Mivel a lineáris elektromágneses vibrátor töltései pontosan ezen az oszcilláló mozgáson mennek keresztül, a vibrátor által kibocsátott elektromágneses hullám lineárisan polarizált. Ezt könnyű kísérletileg ellenőrizni, ha megváltoztatjuk a vevő vibrátor irányát a kibocsátóhoz képest.
Rizs. 185. Elektromos és mágneses mezők haladó lineárisan polarizált hullámban
A jel akkor a legnagyobb, ha a vevő vibrátor párhuzamos a kibocsátóval (lásd 178. ábra). Ha a vevő vibrátort a kibocsátóra merőlegesen fordítjuk, a jel eltűnik. A vevővibrátorban elektromos rezgések csak a vibrátor mentén irányított hullám elektromos térkomponense miatt jelenhetnek meg. Ezért egy ilyen kísérlet azt jelzi, hogy a hullám elektromos mezője párhuzamos a sugárzó vibrátorral.
A keresztirányú elektromágneses hullámok más típusú polarizációja is lehetséges. Ha például az E vektor egy hullám áthaladása során egy bizonyos ponton egyenletesen forog a terjedési irány körül, nagysága változatlan marad, akkor a hullámot cirkulárisan polarizáltnak vagy körben polarizáltnak nevezzük. Egy ilyen elektromágneses hullám elektromos mezőjének pillanatnyi „portréja” látható az ábrán. 186.
Rizs. 186. Elektromos tér mozgó, körkörösen polarizált hullámban
Körkörösen polarizált hullámot úgy kaphatunk, hogy összeadunk két, azonos frekvenciájú és amplitúdójú, azonos irányban terjedő, lineárisan polarizált hullámot, amelyekben az elektromos térvektorok egymásra merőlegesek. Minden hullámban az elektromos térvektor minden pontban harmonikus rezgésen megy keresztül. Ahhoz, hogy az ilyen, egymásra merőleges oszcillációk összeadása a kapott vektor elfordulását eredményezze, fáziseltolásra van szükség, vagyis a lineárisan polarizált hullámok összeadását a hullámhossz negyedével kell eltolni egymáshoz képest.
Hullámimpulzus és fénynyomás. Az energiával együtt az elektromágneses hullámnak is van lendülete. Ha egy hullám elnyelődik, akkor a lendülete átadódik az azt elnyelő tárgynak. Ebből következik, hogy elnyelve az elektromágneses hullám nyomást gyakorol a gátra. A hullámnyomás eredete és ennek a nyomásnak a nagysága a következőképpen magyarázható.
Egy egyenes vonalban irányítva. Ekkor a töltés által elnyelt P teljesítmény egyenlő
Feltételezzük, hogy a beeső hullám összes energiáját elnyeli a gát. Mivel a hullám egységnyi idő alatt egy akadály felületére hoz energiát, a hullám által kifejtett nyomás a normál beesés során egyenlő a hullám energiasűrűségével egységnyi idő egy impulzus, amely a (15) képlet szerint egyenlő az elnyelt energiával osztva a fénysebesség c . Ez azt jelenti, hogy az elnyelt elektromágneses hullám impulzusa megegyezik az energiával osztva a fénysebességgel.
Az elektromágneses hullámok nyomását először P. N. Lebegyev fedezte fel kísérletileg 1900-ban rendkívül finom kísérletekkel.
Miben különböznek a kvázi-stacionárius elektromágneses rezgések zárt rezgőkörben a nagyfrekvenciás rezgésektől egy nyitott vibrátorban? Adj egy mechanikai analógiát!
Magyarázza meg, miért nem bocsátanak ki elektromágneses hullámokat az elektromágneses kvázi-stacionárius rezgések során zárt körben! Miért keletkezik sugárzás az elektromágneses rezgések során egy nyitott vibrátorban?
Ismertesse és magyarázza el Hertz kísérleteit az elektromágneses hullámok izgalmas és detektálásával kapcsolatban. Milyen szerepet játszik a szikraköz az adó és vevő vibrátorokban?
Magyarázza el, hogy egy elektromos töltés felgyorsult mozgásával hogyan alakul át a hosszanti elektrosztatikus tér az általa kibocsátott elektromágneses hullám keresztirányú elektromos mezőjévé!
Energetikai megfontolások alapján mutassuk meg, hogy a vibrátor által kibocsátott gömbhullám elektromos térereje 1 1r-rel csökken (ellentétben az elektrosztatikus mezővel).
Mi az a monokromatikus elektromágneses hullám? Mi a hullámhossz? Hogyan kapcsolódik a frekvenciához? Mi a tulajdonsága a keresztirányú elektromágneses hullámoknak?
Mit nevezünk egy elektromágneses hullám polarizációjának? Milyen típusú polarizációt ismer?
Milyen érveket tud felhozni annak igazolására, hogy az elektromágneses hullámnak van lendülete?
Magyarázza meg a Lorentz-erő szerepét az elektromágneses hullám nyomási erejének akadályon való fellépésében!
