ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ: ТЕОРІЯ, ТИПИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКСВЕЛЛА - ФІЗИЧНІ - 2025

Ці електромагнітні хвилі є поперечними хвилями , які відповідають полях , викликаних прискореними електричним зарядами. ХІХ століття було століттям великого прогресу в електроенергії та магнетизмі, але до першої половини його вчені досі не усвідомлювали взаємозв'язок двох явищ, вважаючи їх незалежними одне від одного.

Саме шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) довів світові, що електрика та магнетизм - це лише дві сторони однієї монети. Обидва явища тісно пов'язані.

Гроза. Джерело: Pixabay.

Теорія Максвелла

Максвелл уніфікував теорію електрики та магнетизму у 4 елегантних та стислих рівняннях, прогнози яких незабаром були підтверджені:

Які докази Максвелу довелося розвивати свою електромагнітну теорію?

Вже було фактом, що електричні струми (рухомі заряди) виробляють магнітні поля, а в свою чергу змінне магнітне поле зароджує електричні струми в струмопровідних схемах, що означає, що змінне магнітне поле індукує електричне поле.

Чи можливе зворотне явище? Чи могли б мінливі електричні поля по черзі генерувати магнітні поля?

Максвелл, учень Майкла Фарадея, був переконаний у існуванні симетрії в природі. І електричні, і магнітні явища також повинні були дотримуватися цих принципів.

За даними цього дослідника, коливальні поля створюють порушення таким же чином, як камінь, кинутий у ставку, генерує хвилі. Ці порушення - це не що інше, як коливальні електричні та магнітні поля, які Максвелл точно називав електромагнітними хвилями.

Прогнози Максвелла

Рівняння Максвелла передбачили існування електромагнітних хвиль зі швидкістю поширення, що дорівнює швидкості світла. Прогноз був підтверджений незабаром німецьким фізиком Генріхом Герцом (1857 - 1894), якому вдалося генерувати ці хвилі у своїй лабораторії за допомогою контуру ЖК. Це сталося незабаром після смерті Максвелла.

Щоб перевірити правильність теорії, Герц повинен був побудувати детекторний прилад, який дозволив йому знайти довжину хвилі та частоту, дані, з яких він міг обчислити швидкість електромагнітних радіохвиль, збігаючись зі швидкістю світла. .

Творчість Максвелла в той час була сприйнята скептично. Можливо, це було частково тому, що Максвелл був геніальним математиком і представив свою теорію усією формальністю справи, яку багато хто не зміг зрозуміти.

Однак експеримент Герца був геніальним та переконливим. Їх результати були добре сприйняті, і сумніви щодо правдивості прогнозів Максвелла були ліквідовані.

Зміщення струму

Струм переміщення - це створення Максвелла, що випливає з глибокого аналізу закону Ампера, який говорить, що:

Акумулятор заряджає конденсатор. Показано, що поверхні S (суцільна лінія) і S 'і контур С застосовують закон Ампера. Джерело: модифіковано з Pixabay.

Тому термін праворуч у законі Ампера, що передбачає течію, не є нульовим і не є членом зліва. Негайний висновок: існує магнітне поле.

Чи є магнітне поле на S '?

Однак не існує струму, який перетинає або перетинає вигнуту поверхню S ', яка має однаковий контур С, оскільки ця поверхня охоплює частину того, що знаходиться в просторі між пластинами конденсатора, і ми можемо вважати, що це повітря чи інша речовина непровідний.

У цьому регіоні немає провідного матеріалу, через який протікає будь-який струм. Слід пам’ятати, що для протікання струму ланцюг повинен бути закритим. Оскільки струм дорівнює нулю, то інтеграл зліва в законі Ампера дорівнює 0. Магнітного поля тоді немає, чи не існує?

Виразно є суперечність. S 'також обмежена кривою С і існування магнітного поля не повинно залежати від поверхні, на яку обмежується С.

Максвелл вирішити протиріччя шляхом введення поняття зсуву струму _D .

Зміщення струму

Поки конденсатор заряджається, змінне електричне поле існує між пластинами і струмом проходить через провідник. Коли конденсатор заряджається, струм в провіднику припиняється і між пластинами встановлюється постійне електричне поле.

Тоді Максвелл вивів, що, пов'язаний зі змінним електричним полем, повинен існувати струм, який він назвав струмом переміщення i _D , струмом, який не передбачає руху заряду. Для поверхні S 'справедливо:

Електричний струм не є вектором, хоча він має величину та значення. Більш доцільним є відношення полів до величини, яка є векторною: щільність струму J , величина якої є коефіцієнтом між струмом і площею, через яку воно проходить. Одиницями щільності струму в Міжнародному системі є ампери / м ² .

З точки зору цього вектора, щільність струму переміщення становить:

Таким чином, коли закон Ампера застосовується до контуру С і використовується поверхня S, i _C - струм, що проходить через нього. З іншого боку, я _C не проходить через S », але я _D робить.

Вправа вирішена

Швидкість у даному середовищі

У даному середовищі можна показати, що швидкість електромагнітних хвиль задається виразом:

В яких ε і μ - відповідна проникність та проникність середовища, про яке йде мова.

Кількість руху

Електромагнітне випромінювання з енергією U має пов'язаний імпульс p, величина якого: p = U / c.

Типи електромагнітних хвиль

Електромагнітні хвилі мають дуже широкий діапазон довжин хвиль і частот. Вони згруповані в тому, що відомо як електромагнітний спектр, який був поділений на регіони, які названі нижче, починаючи з найдовших довжин хвиль:

Радіохвилі

Розташовані на найвищій довжині хвилі та найнижчій частоті, вони становлять від кількох до мільярда Герц. Це ті, які використовуються для передачі сигналу з різними видами інформації і захоплюються антенами. Телебачення, радіо, мобільні телефони, планети, зірки та інші небесні тіла передають їх, і вони можуть бути захоплені.

Мікрохвильова піч

Розташовані на надвисоких (УВЧ), надвисоких (SHF) та надзвичайно високих (EHF) частотах, вони коливаються від 1 ГГц до 300 ГГц. На відміну від попередніх, які можуть вимірювати до милі (1,6 км), мікрохвильові печі Вони варіюються від кількох сантиметрів до 33 див.

Зважаючи на їх положення в спектрі між 100 000 і 400 000 нм, вони використовуються для передачі даних про частоти, які не заважають радіохвилям. З цієї причини вони застосовуються в радіолокаційній технології, стільникових телефонах, кухонних печах та комп'ютерних рішеннях.

Його коливання є продуктом пристрою, відомого як магнетрон, який є різновидом резонансної порожнини, що має на кінцях 2 магніти диска. Електромагнітне поле генерується прискоренням електронів від катода.

Інфрачервоні промені

Ці теплові хвилі випромінюються тепловими тілами, деякими типами лазерів та світлодіодами. Хоча вони, як правило, перетинаються з радіохвилями та мікрохвилями, їх діапазон становить від 0,7 до 100 мікрометрів.

Сутності найчастіше виробляють тепло, яке можна виявити за допомогою нічних окулярів та шкіри. Їх часто використовують для дистанційного керування та спеціальних систем зв’язку.

Видиме світло

У референційному поділі спектру ми знаходимо сприймаюче світло, яке має довжину хвилі між 0,4 і 0,8 мікрометрів. Ми відрізняємо кольори веселки, де найнижча частота характеризується червоним, а найвища - фіолетовим.

Значення його довжини вимірюються в нанометрах і ангстремі, це являє собою дуже малу частину всього спектру, і цей діапазон включає найбільшу кількість випромінювання, випромінюваного сонцем і зірками. Крім того, він є продуктом прискорення електронів при енергетичних транзитах.

Наше сприйняття речей базується на видимому випромінюванні, яке падає на предмет, а потім на очі. Потім мозок інтерпретує частоти, що спричиняють колір і деталі, присутні в речах.

Ультрафіолетові промені

Ці пульсації знаходяться в межах 4 і 400 нм, вони генеруються сонцем та іншими процесами, які виділяють велику кількість тепла. Тривале вплив цих коротких хвиль може спричинити опіки та певні види раку у живих істот.

Оскільки вони є продуктом стрибків електронів у збуджених молекулах та атомах, їх енергія бере участь у хімічних реакціях і їх використовують у медицині для стерилізації. Вони відповідають за іоносферу, оскільки озоновий шар запобігає його згубному впливу на землю.

Рентген

Таке позначення пояснюється тим, що вони є невидимими електромагнітними хвилями, здатними пропускати через непрозорі тіла і виробляти фотодрук. Розташовані між 10 і 0,01 нм (від 30 до 30000 PHz), вони є результатом вискакування електронів з орбіт важких атомів.

Ці промені можуть випромінюватися коронкою сонця, пульсарами, надновими та чорними дірами завдяки великій кількості енергії. Їх тривале опромінення викликає рак, і їх використовують у галузі медицини для отримання зображень кісткових структур.

Гамма-промені

Розташовані в крайній лівій частині спектра, вони є хвилями з найвищою частотою і зазвичай трапляються в чорних дірах, наднових, пульсарах та нейтронних зірках. Вони також можуть бути наслідком поділу, ядерних вибухів та блискавки.

Оскільки вони породжуються процесами стабілізації в атомному ядрі після радіоактивних викидів, вони є летальними. Їх довжина хвилі субатомна, що дозволяє їм проходити через атоми. Вони все ще поглинаються земною атмосферою.

Застосування різних електромагнітних хвиль

Електромагнітні хвилі мають ті ж властивості відбиття та відбиття, що і механічні хвилі. І разом з енергією, яку вони поширюють, вони також можуть нести інформацію.

Через це різні типи електромагнітних хвиль були застосовані до великої кількості різних завдань. Тут ми побачимо деякі найпоширеніші.

Електромагнітний спектр та деякі його сфери застосування. Джерело: Tatoute and Phrood

Радіохвилі

Незабаром після того, як його виявили, Гульєльмо Марконі довів, що вони можуть бути чудовим засобом спілкування. З часу їх відкриття Герц, бездротовий зв'язок з радіочастотами, такими як AM та FM-радіо, телебачення, стільникові телефони та багато іншого, набуває все більшого поширення у всьому світі.

Мікрохвильова піч

Їх можна використовувати для нагрівання їжі, оскільки вода - це дипольна молекула, здатна реагувати на коливальні електричні поля. Їжа містить молекули води, які, потрапляючи в ці поля, починають коливатися і стикатися між собою. Отриманий ефект - зігрівання.

Вони також можуть використовуватися в телекомунікаціях, завдяки їх здатності подорожувати в атмосфері з меншими перешкодами, ніж інші хвилі більшої довжини хвилі.

Інфрачервоні хвилі

Найбільш характерне застосування інфрачервоного зв'язку - це прилади нічного бачення. Вони також використовуються для зв'язку між приладами та в спектроскопічних техніках для вивчення зірок, міжзоряних газових хмар та екзопланет.

Вони також можуть створювати карти температури тіла, які використовуються для ідентифікації деяких видів пухлин, температура яких вище, ніж у навколишніх тканин.

Видиме світло

Видиме світло складає велику частину спектра, випромінюваного Сонцем, на яке сітківка відповідає.

Ультрафіолетові промені

Ультрафіолетові промені мають достатньо енергії, щоб значно взаємодіяти з речовиною, тому постійне опромінення цим випромінюванням викликає передчасне старіння та збільшує ризик розвитку раку шкіри.

Рентгенівські та гамма-промені

Рентгенівські та гамма-промені мають ще більше енергії і тому здатні проникати в м’які тканини, отже, майже з моменту їх виявлення їх застосовують для діагностики переломів та огляду внутрішніх органів тіла в пошуках захворювань. .

Рентген і гамма-промені використовуються не тільки як діагностичний інструмент, але і як лікувальний засіб для знищення пухлин.

Список літератури

1. Джанколі, Д. (2006). Фізика: Принципи застосування. Шосте видання. Prentice Hall. 628-637.
2. Рекс, А. (2011). Основи фізики. Пірсон. 503-512.
3. Сірс, Ф. (2015). Університетська фізика із сучасною фізикою. 14-е видання. Пірсон. 1053-1057.