ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ: ТЕОРИЯ МАКСВЕЛЛА, ТИПЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Эти электромагнитные волны являются поперечными волнами , которые соответствуют полям , вызванных ускоренными электрическим зарядами. Девятнадцатый век был веком больших достижений в области электричества и магнетизма, но до первой его половины ученые все еще не знали о взаимосвязи между обоими явлениями, считая их независимыми друг от друга.

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) доказал миру, что электричество и магнетизм - это две стороны одной медали. Оба явления тесно связаны.

Гроза. Источник: Pixabay.

Теория Максвелла

Максвелл объединил теорию электричества и магнетизма в 4 элегантных и лаконичных уравнениях, предсказания которых вскоре подтвердились:

Какие доказательства были у Максвелла для разработки своей электромагнитной теории?

Уже было фактом, что электрические токи (движущиеся заряды) создают магнитные поля, а переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает электрические токи в проводящих цепях, что означало бы, что переменное магнитное поле индуцирует электрическое поле.

Возможно ли обратное явление? Могут ли переменные электрические поля в свою очередь генерировать магнитные поля?

Максвелл, ученик Майкла Фарадея, был убежден в существовании симметрии в природе. Как электрические, так и магнитные явления также должны были соответствовать этим принципам.

По словам этого исследователя, колеблющиеся поля будут вызывать возмущения так же, как камень, брошенный в пруд, генерирует волны. Эти возмущения представляют собой не что иное, как колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые Максвелл точно назвал электромагнитными волнами.

Предсказания Максвелла

Уравнения Максвелла предсказывали существование электромагнитных волн со скоростью распространения, равной скорости света. Вскоре это предсказание подтвердил немецкий физик Генрих Герц (1857 - 1894), которому удалось сгенерировать эти волны в своей лаборатории с помощью LC-цепи. Это произошло вскоре после смерти Максвелла.

Чтобы проверить правильность теории, Герцу пришлось построить детекторное устройство, которое позволило ему найти длину волны и частоту, данные, по которым он мог вычислить скорость электромагнитных радиоволн, совпадающую со скоростью света. .

Научное сообщество в то время восприняло работу Максвелла скептически. Возможно, отчасти потому, что Максвелл был блестящим математиком и представил свою теорию со всей формальностью случая, которую многие не смогли понять.

Однако эксперимент Герца был блестящим и убедительным. Их результаты были хорошо приняты, и сомнения в правдивости предсказаний Максвелла развеялись.

Ток смещения

Ток смещения - это создание Максвелла, возникшее в результате глубокого анализа закона Ампера, который гласит, что:

Аккумулятор заряжает конденсатор. Поверхности S (сплошная линия) и S 'и контур C показаны для применения закона Ампера. Источник: модифицировано с сайта Pixabay.

Следовательно, член справа в законе Ампера, включающий ток, не равен нулю, как и член слева. Непосредственный вывод: есть магнитное поле.

Есть ли у S 'магнитное поле?

Однако нет тока, который пересекает или пересекает изогнутую поверхность S ', которая имеет тот же контур C, поскольку эта поверхность охватывает часть того, что находится в пространстве между пластинами конденсатора, которое, как мы можем предположить, является воздухом или другим веществом. непроводящий.

В этой области нет проводящего материала, через который протекает ток. Следует помнить, что для протекания тока цепь должна быть замкнута. Поскольку ток равен нулю, интеграл слева в законе Ампера равен 0. Значит, магнитного поля нет, не так ли?

Однозначно есть противоречие. S 'также ограничивается кривой C, и наличие магнитного поля не должно зависеть от поверхности, которой ограничивается C.

Максвелл решить противоречие путем введения понятия смещения тока _D .

Ток смещения

Пока конденсатор заряжается, между пластинами существует переменное электрическое поле, и ток течет по проводнику. Когда конденсатор заряжается, ток в проводнике прекращается, и между пластинами устанавливается постоянное электрическое поле.

Затем Максвелл пришел к выводу, что, связанный с переменным электрическим полем, должен существовать ток, который он назвал током смещения i _D , ток, не связанный с движением заряда. Для поверхности S 'справедливо:

Электрический ток - это не вектор, хотя он имеет величину и значение. Более уместно связать поля с величиной, которая является векторной: плотность тока J , величина которой является частным между током и площадью, через которую он проходит. Единицы измерения плотности тока в Международной системе - амперы / м ² .

В терминах этого вектора плотность тока смещения равна:

Таким образом, когда закон Ампера применяется к контуру C и используется поверхность S, i _C - это ток через него. С другой стороны, i _C не проходит через S ', а i _D проходит.

Упражнение решено

Скорость в данной среде

В данной среде можно показать, что скорость электромагнитных волн определяется выражением:

Где ε и μ - соответствующие диэлектрическая проницаемость и проницаемость рассматриваемой среды.

Количество движения

Электромагнитное излучение с энергией U имеет связанный импульс p, величина которого равна: p = U / c.

Типы электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин волн и частот. Они сгруппированы в так называемом электромагнитном спектре, который был разделен на области, названные ниже, начиная с самых длинных волн:

Радиоволны

Располагаясь на самой высокой длине волны и на самой низкой частоте, они варьируются от единиц до миллиарда герц. Это те, которые используются для передачи сигнала с информацией различного рода и улавливаются антеннами. Их транслируют телевидение, радио, мобильные телефоны, планеты, звезды и другие небесные тела, и их можно снимать.

Микроволновая печь

Расположенные на сверхвысоких (UHF), сверхвысоких (SHF) и чрезвычайно высоких (EHF) частотах, они находятся в диапазоне от 1 ГГц до 300 ГГц. В отличие от предыдущих, которые могут измерять до мили (1,6 км), микроволны Они варьируются от нескольких сантиметров до 33 см.

Учитывая их положение в спектре от 100 000 до 400 000 нм, они используются для передачи данных на частотах, которым не мешают радиоволны. По этой причине они применяются в радиолокационной технике, сотовых телефонах, кухонных плитах и ​​компьютерных решениях.

Его колебания являются результатом работы устройства, известного как магнетрон, которое представляет собой своего рода резонансную полость с двумя дисковыми магнитами на концах. Электромагнитное поле создается за счет ускорения электронов от катода.

Инфракрасные лучи

Эти тепловые волны излучаются тепловыми телами, некоторыми типами лазеров и светодиодами. Хотя они имеют тенденцию перекрываться с радиоволнами и микроволнами, их диапазон составляет от 0,7 до 100 микрометров.

Сущности чаще всего выделяют тепло, которое можно обнаружить с помощью ночных очков и кожи. Их часто используют для дистанционного управления и специальных систем связи.

Видимый свет

В эталонном делении спектра мы находим воспринимаемый свет с длиной волны от 0,4 до 0,8 микрометра. Мы различаем цвета радуги, где самая низкая частота характеризуется красным, а самая высокая - фиолетовым.

Его длина измеряется в нанометрах и ангстремах, он представляет собой очень маленькую часть всего спектра, и этот диапазон включает наибольшее количество излучения, испускаемого солнцем и звездами. Кроме того, это продукт ускорения электронов при энергетических транзитах.

Наше восприятие вещей основано на видимом излучении, которое падает на объект, а затем на глаза. Затем мозг интерпретирует частоты, которые определяют цвет и детали, присутствующие в вещах.

Ультрафиолетовые лучи

Эта рябь находится в диапазоне от 4 до 400 нм, они генерируются солнцем и другими процессами, которые выделяют большое количество тепла. Длительное воздействие этих коротких волн может вызвать ожоги и определенные виды рака у живых существ.

Поскольку они являются продуктом скачков электронов в возбужденных молекулах и атомах, их энергия участвует в химических реакциях, и они используются в медицине для стерилизации. Они несут ответственность за ионосферу, поскольку озоновый слой предотвращает его разрушительное воздействие на Землю.

Рентгеновские лучи

Это обозначение связано с тем, что они представляют собой невидимые электромагнитные волны, способные проходить через непрозрачные тела и создавать фотографические отпечатки. Расположенные между 10 и 0,01 нм (от 30 до 30 000 ПГц), они являются результатом прыжка электронов с орбит тяжелых атомов.

Эти лучи могут испускаться солнечной короной, пульсарами, сверхновыми звездами и черными дырами из-за их большого количества энергии. Их длительное воздействие вызывает рак, и они используются в медицине для получения изображений костных структур.

Гамма лучи

Эти волны, расположенные в крайнем левом углу спектра, имеют самую высокую частоту и обычно возникают в черных дырах, сверхновых, пульсарах и нейтронных звездах. Они также могут быть результатом деления, ядерных взрывов и молний.

Поскольку они образуются в процессе стабилизации атомного ядра после радиоактивных выбросов, они смертельны. Их длина волны субатомна, что позволяет им проходить сквозь атомы. Они все еще поглощаются атмосферой Земли.

Применение различных электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют те же свойства отражения и отражения, что и механические волны. И наряду с энергией, которую они распространяют, они также могут нести информацию.

Из-за этого разные типы электромагнитных волн применялись для большого количества различных задач. Здесь мы увидим некоторые из самых распространенных.

Электромагнитный спектр и некоторые его приложения. Источник: Tatoute и Phrood

Радиоволны

Вскоре после того, как их обнаружили, Гульельмо Маркони доказал, что они могут быть отличным средством общения. С момента их открытия Hertz беспроводная связь с радиочастотами, такими как AM и FM радио, телевидение, сотовые телефоны и многое другое, получила все большее распространение во всем мире.

Микроволновая печь

Их можно использовать для нагрева пищи, потому что вода - это дипольная молекула, способная реагировать на колебательные электрические поля. Пища содержит молекулы воды, которые при воздействии этих полей начинают колебаться и сталкиваться друг с другом. В результате получается согревание.

Они также могут использоваться в телекоммуникациях из-за их способности перемещаться в атмосфере с меньшими помехами, чем другие волны с большей длиной волны.

Инфракрасные волны

Наиболее характерное применение инфракрасного излучения - приборы ночного видения. Они также используются для связи между устройствами и в спектроскопических методах исследования звезд, облаков межзвездного газа и экзопланет.

Они также могут создавать карты температуры тела, которые используются для идентификации некоторых типов опухолей, температура которых выше, чем у окружающих тканей.

Видимый свет

Видимый свет составляет большую часть спектра, излучаемого Солнцем, на который реагирует сетчатка.

Ультрафиолетовые лучи

У ультрафиолетовых лучей достаточно энергии для значительного взаимодействия с веществом, поэтому постоянное воздействие этого излучения вызывает преждевременное старение и увеличивает риск развития рака кожи.

Рентгеновские лучи и гамма-лучи

Рентгеновские лучи и гамма-лучи обладают еще большей энергией и, следовательно, способны проникать в мягкие ткани, поэтому почти с момента их открытия они использовались для диагностики переломов и исследования внутренних органов тела в поисках болезней. .

Рентгеновские лучи и гамма-лучи используются не только как диагностический инструмент, но и как терапевтическое средство для разрушения опухолей.

Ссылки

1. Джанколи, Д. (2006). Физика: принципы с приложениями. Издание шестое. Прентис Холл. 628-637.
2. Рекс, А. (2011). Основы физики. Пирсон. 503-512.
3. Сирс, Ф. (2015). Университетская физика с современной физикой. 14-е издание. Пирсон. 1053-1057.