Sóng điện từ, bức xạ điện từ, sự lan truyền của sóng điện từ

Năm 1864, James Clerk Maxwell dự đoán khả năng tồn tại của sóng điện từ trong không gian. Ông đưa ra tuyên bố này trên cơ sở các kết luận rút ra từ việc phân tích tất cả các dữ liệu thực nghiệm được biết vào thời điểm đó liên quan đến điện và từ.

Maxwell đã kết hợp một cách toán học các định luật điện động lực học, kết nối các hiện tượng điện và từ, và do đó đi đến kết luận rằng điện trường và từ trường, vốn thay đổi theo thời gian, sinh ra lẫn nhau.

Ban đầu, ông nhấn mạnh thực tế rằng mối quan hệ giữa các hiện tượng từ trường và điện trường là không đối xứng và đưa ra thuật ngữ "điện trường xoáy", đưa ra cách giải thích thực sự mới của riêng ông về hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện: "mọi thay đổi trong từ trường". dẫn đến xuất hiện trong không gian xung quanh một điện trường xoáy với các đường sức khép kín”.

Theo Maxwell, tuyên bố ngược lại rằng "một điện trường thay đổi tạo ra một từ trường trong không gian xung quanh" cũng đúng, nhưng ban đầu tuyên bố này chỉ là một giả thuyết.

Maxwell đã viết ra một hệ phương trình toán học mô tả nhất quán các quy luật biến đổi lẫn nhau của từ trường và điện trường, những phương trình này sau đó trở thành phương trình cơ bản của điện động lực học và bắt đầu được gọi là "phương trình Maxwell" để vinh danh nhà khoa học vĩ đại. chúng xuống. Giả thuyết của Maxwell, dựa trên các phương trình đã viết, có một số kết luận cực kỳ quan trọng đối với khoa học và công nghệ, được trình bày dưới đây.

Sóng điện từ tồn tại

Sóng điện từ ngang có thể tồn tại trong không gian lan truyền theo thời gian trường điện từ… Việc sóng ngang được thể hiện qua việc vectơ cảm ứng từ B và cường độ điện trường E vuông góc với nhau và cùng nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng điện từ.

Sóng điện từ lan truyền với vận tốc hữu hạn

Tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong một chất nhất định là hữu hạn và được xác định bởi các tính chất điện và từ của chất mà sóng truyền qua. Độ dài của sóng hình sin λ trong trường hợp này liên quan đến tốc độ υ với một tỷ lệ chính xác nhất định λ = υ / f và phụ thuộc vào tần số f của dao động trường. Tốc độ c của sóng điện từ trong chân không là một trong những hằng số vật lý cơ bản—tốc độ ánh sáng trong chân không.

Bởi vì Maxwell tuyên bố rằng tốc độ lan truyền của sóng điện từ là hữu hạn, điều này tạo ra mâu thuẫn giữa giả thuyết của ông và lý thuyết về tác dụng ở khoảng cách xa được chấp nhận vào thời điểm đó, theo đó tốc độ lan truyền của sóng được cho là vô hạn. Do đó, lý thuyết của Maxwell được gọi là lý thuyết về hành động tầm ngắn.

Sóng điện từ là điện trường và từ trường chuyển hóa lẫn nhau.

Trong sóng điện từ, sự biến đổi điện trường và từ trường thành nhau xảy ra đồng thời nên mật độ thể tích của năng lượng từ trường và điện trường bằng nhau. cường độ điện trường và cảm ứng từ liên hệ với nhau tại một điểm bất kỳ trong không gian thông qua mối liên hệ sau:

Sóng điện từ mang năng lượng

Một sóng điện từ trong quá trình lan truyền của nó tạo ra một dòng năng lượng điện từ và nếu chúng ta tính đến diện tích trong mặt phẳng vuông góc với hướng truyền của sóng, thì một lượng năng lượng điện từ nhất định sẽ di chuyển qua nó theo một thời gian ngắn. Mật độ thông lượng năng lượng điện từ là lượng năng lượng được mang bởi một sóng điện từ trên một bề mặt trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian. Bằng cách thay thế các giá trị của vận tốc, cũng như năng lượng từ trường và điện trường, có thể thu được biểu thức cho mật độ từ thông theo các đại lượng E và B.

Vectơ Poynting - vectơ của dòng năng lượng của sóng

Do hướng truyền của năng lượng sóng trùng với hướng của vận tốc truyền sóng nên dòng năng lượng truyền trong sóng điện từ có thể được thiết lập bằng cách sử dụng một vectơ có hướng giống như vận tốc truyền của sóng. Vectơ này được gọi là «vectơ Poynting» — để vinh danh nhà vật lý người Anh Henry Poynting, người vào năm 1884 đã phát triển lý thuyết về sự lan truyền dòng năng lượng của trường điện từ. Mật độ thông lượng năng lượng sóng được đo bằng W/m2.

Sóng điện từ ép vào các cơ thể phản xạ hoặc hấp thụ chúng

Khi một điện trường tác dụng lên một chất, trong chất đó xuất hiện những dòng điện nhỏ, đó là chuyển động có trật tự của các hạt mang điện. Các dòng điện này trong từ trường của sóng điện từ chịu tác dụng của lực Ampe hướng sâu vào bên trong chất. Kết quả là, lực của Ampe tạo ra áp suất.

Hiện tượng này sau đó, vào năm 1900, đã được nghiên cứu và xác nhận bằng thực nghiệm bởi nhà vật lý người Nga Pyotr Nikolayevich Lebedev, người có công trình thực nghiệm rất quan trọng trong việc xác nhận lý thuyết điện từ của Maxwell cũng như sự chấp nhận và chấp nhận nó trong tương lai.

Thực tế là sóng điện từ gây ra áp suất giúp ước tính sự hiện diện của một xung cơ học trong trường điện từ, có thể được biểu thị trên một đơn vị thể tích bằng mật độ thể tích của năng lượng điện từ và tốc độ truyền sóng trong chân không:

Vì động lượng có liên quan đến chuyển động của khối lượng, nên có thể đưa ra khái niệm như khối lượng điện từ, và sau đó đối với một đơn vị thể tích, tỷ lệ này (theo STR) sẽ mang đặc tính của một quy luật tự nhiên phổ quát và sẽ có giá trị cho bất kỳ cơ thể vật chất bất kể hình thức của vật chất. Khi đó, trường điện từ tương tự như một vật thể vật chất — nó có năng lượng W, khối lượng m, động lượng p và vận tốc cuối v. Tức là trường điện từ là một trong những dạng vật chất thực sự tồn tại trong tự nhiên.

Xác nhận cuối cùng của lý thuyết Maxwell

Lần đầu tiên vào năm 1888, Heinrich Hertz đã xác nhận bằng thực nghiệm lý thuyết điện từ của Maxwell. Ông đã chứng minh bằng thực nghiệm tính thực tế của sóng điện từ và nghiên cứu các tính chất của chúng như khúc xạ và hấp thụ trong các môi trường khác nhau, cũng như sự phản xạ của sóng từ bề mặt kim loại.

Hertz đo bước sóng bức xạ điện từ, và chứng tỏ rằng tốc độ lan truyền của sóng điện từ bằng tốc độ ánh sáng. Công việc thử nghiệm của Hertz là bước cuối cùng để chấp nhận lý thuyết điện từ của Maxwell. Bảy năm sau, vào năm 1895, nhà vật lý người Nga Alexander Stepanovich Popov đã sử dụng sóng điện từ để tạo ra giao tiếp không dây.

Sóng điện từ chỉ bị kích thích bởi các điện tích chuyển động có gia tốc

Trong mạch điện một chiều, các điện tích chuyển động với tốc độ không đổi và sóng điện từ trong trường hợp này không phát ra ngoài không gian, để có bức xạ thì phải dùng anten trong đó có dòng điện xoay chiều, tức là dòng điện mà nhanh chóng thay đổi hướng của họ, sẽ rất phấn khích.

Ở dạng đơn giản nhất, một lưỡng cực điện có kích thước nhỏ phù hợp để phát sóng điện từ trong đó momen lưỡng cực sẽ thay đổi nhanh chóng theo thời gian. Một lưỡng cực như vậy ngày nay được gọi là "lưỡng cực Hertzian", kích thước của nó nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng mà nó phát ra.

Khi được phát ra từ một lưỡng cực Hertzian, dòng năng lượng điện từ cực đại rơi trên một mặt phẳng vuông góc với trục của lưỡng cực. Không có bức xạ năng lượng điện từ dọc theo trục của lưỡng cực. Trong các thí nghiệm quan trọng nhất của Hertz, các lưỡng cực cơ bản được sử dụng để phát và thu sóng điện từ, chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ.