Eine elektromagnetische Welle ist eine Störung elektromagnetisches Feld, die im Raum übertragen wird. Seine Geschwindigkeit entspricht der Lichtgeschwindigkeit

2. Beschreiben Sie Hertz‘ Experiment zur Erkennung elektromagnetischer Wellen

In Hertz‘ Experiment waren elektromagnetische Schwingungen die Quelle elektromagnetischer Störungen, die in einem Vibrator (einem Leiter mit einem Luftspalt in der Mitte) entstanden. An diesen Spalt wurde eine Hochspannung angelegt, die eine Funkenentladung verursachte. Nach einem Moment erschien im Resonator (einem ähnlichen Vibrator) eine Funkenentladung. Der stärkste Funke entstand im Resonator, der parallel zum Vibrator angeordnet war.

3. Erklären Sie die Ergebnisse des Hertz-Experiments anhand der Maxwell-Theorie. Warum ist eine elektromagnetische Welle transversal?

Der Strom durch die Entladungsstrecke erzeugt eine Induktion um sich herum, der magnetische Fluss nimmt zu und es entsteht ein induzierter Verschiebungsstrom. Die Spannung an Punkt 1 (Abb. 155, b des Lehrbuchs) ist in der Zeichenebene gegen den Uhrzeigersinn gerichtet, an Punkt 2 ist der Strom nach oben gerichtet und bewirkt an Punkt 3 eine Induktion, die Spannung ist nach oben gerichtet. Reicht die Spannung zum elektrischen Durchschlag der Luft im Spalt aus, entsteht ein Funke und es fließt Strom im Resonator.

Weil die Richtungen der Magnetfeldinduktion und Intensitätsvektoren elektrisches Feld senkrecht zueinander und zur Richtung der Welle.

4. Warum kommt es bei der beschleunigten Bewegung elektrischer Ladungen zur Strahlung elektromagnetischer Wellen? Wie hängt die elektrische Feldstärke in einer emittierten elektromagnetischen Welle von der Beschleunigung des emittierenden geladenen Teilchens ab?

Die Stärke des Stroms ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit geladener Teilchen, daher entsteht eine elektromagnetische Welle nur, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit dieser Teilchen von der Zeit abhängt. Die Intensität der emittierten elektromagnetischen Welle ist direkt proportional zur Beschleunigung des strahlenden geladenen Teilchens.

5. Wie hängt die Energiedichte des elektromagnetischen Feldes von der elektrischen Feldstärke ab?

Die Energiedichte des elektromagnetischen Feldes ist direkt proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke.

Elektromagnetische Wellen sind das Ergebnis langjähriger Debatten und Tausender Experimente. Beweis für das Vorhandensein von Kräften natürlichen Ursprungs, die in der Lage sind, die bestehende Gesellschaft auf den Kopf zu stellen. Dies ist die tatsächliche Akzeptanz einer einfachen Wahrheit: Wir wissen zu wenig über die Welt, in der wir leben.

Die Physik ist die Königin der Naturwissenschaften und kann Antworten auf Fragen nach dem Ursprung nicht nur des Lebens, sondern auch der Welt selbst geben. Es gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, die elektrischen und magnetischen Felder zu untersuchen, deren Wechselwirkung EMF (elektromagnetische Wellen) erzeugt.

Was ist eine elektromagnetische Welle?

Vor nicht allzu langer Zeit erschien auf den Bildschirmen unseres Landes der Film „War of Currents“ (2018), der mit einem Hauch von Fiktion vom Streit zwischen den beiden großen Wissenschaftlern Edison und Tesla erzählt. Man versuchte, die Vorteile von zu beweisen Gleichstrom, der andere stammt aus der Variablen. Dieser lange Kampf endete erst im siebten Jahr des 21. Jahrhunderts.

Gleich zu Beginn des „Kampfes“ beschrieb ein anderer Wissenschaftler, der sich mit der Relativitätstheorie beschäftigte, Elektrizität und Magnetismus als ähnliche Phänomene.

Im dreißigsten Jahr des neunzehnten Jahrhunderts Physiker Englischer Herkunft Faraday entdeckte das Phänomen elektromagnetische Induktion und führte den Begriff der Einheit des elektrischen und magnetischen Feldes ein. Er argumentierte auch, dass die Bewegung in diesem Bereich durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sei.

Wenig später besagte die Theorie des englischen Wissenschaftlers Maxwell, dass Elektrizität einen magnetischen Effekt verursacht und Magnetismus die Entstehung eines elektrischen Feldes verursacht. Da sich beide Felder räumlich und zeitlich bewegen, bilden sie Störungen – also elektromagnetische Wellen.

Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei einer elektromagnetischen Welle um eine räumliche Störung des elektromagnetischen Feldes.

Die Existenz elektromagnetischer Wellen wurde vom deutschen Wissenschaftler Hertz experimentell nachgewiesen.

Elektromagnetische Wellen, ihre Eigenschaften und Eigenschaften

Elektromagnetische Wellen zeichnen sich durch folgende Faktoren aus:

• Länge (ziemlich großer Bereich);
• Frequenz;
• Intensität (oder Amplitude der Schwingung);
• Energiemenge.

Das wichtigste Eigentum von allen elektromagnetische Strahlung ist ein Maß für die Wellenlänge (im Vakuum), die üblicherweise in Nanometern für das sichtbare Lichtspektrum angegeben wird.

Jeder Nanometer entspricht einem Tausendstel Mikrometer und wird durch den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen gemessen.

Die entsprechende Emissionsfrequenz einer Welle ist die Anzahl der Sinusschwingungen und umgekehrt proportional zur Wellenlänge.

Die Frequenz wird normalerweise in Hertz gemessen. Längere Wellen entsprechen also niederfrequenter Strahlung und kürzere Wellen entsprechen hochfrequenter Strahlung.

Grundlegende Eigenschaften von Wellen:

• Brechung;
• Spiegelung;
• Absorption;
• Interferenz.

Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen

Die tatsächliche Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle hängt vom Material des Mediums, seiner optischen Dichte und dem Vorhandensein von Faktoren wie Druck ab.

Außerdem, verschiedene Materialien haben unterschiedliche Dichten der Atompackung; je näher sie angeordnet sind, desto kürzer ist der Abstand und desto höher ist die Geschwindigkeit. Daher hängt die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle von dem Material ab, durch das sie sich bewegt.

Ähnliche Experimente werden im Hadron Collider durchgeführt, bei dem das Haupteinflussinstrument ein geladenes Teilchen ist. Die Erforschung elektromagnetischer Phänomene erfolgt dort auf der Quantenebene, wenn Licht in winzige Teilchen – Photonen – zerlegt wird. Aber Quantenphysik ist ein separates Thema.

Nach der Relativitätstheorie kann die höchste Geschwindigkeit der Wellenausbreitung die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. Maxwell beschrieb in seinen Werken die Endlichkeit der Geschwindigkeitsbegrenzung und erklärte dies mit der Anwesenheit eines neuen Feldes – des Äthers. Die moderne offizielle Wissenschaft hat einen solchen Zusammenhang noch nicht untersucht.

Elektromagnetische Strahlung und ihre Arten

Elektromagnetische Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, die als Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder beobachtet werden und sich mit Lichtgeschwindigkeit (300 km pro Sekunde im Vakuum) ausbreiten.

Wenn EM-Strahlung mit Materie interagiert, ändert sich ihr Verhalten qualitativ, wenn sich die Frequenz ändert. Warum verwandelt es sich in:

1. Funkemissionen. Bei Radiofrequenzen und Mikrowellenfrequenzen interagiert EM-Strahlung mit Materie hauptsächlich in Form eines gemeinsamen Ladungssatzes, der darüber verteilt ist eine große Anzahl betroffene Atome.
2. Infrarotstrahlung. Im Gegensatz zu niederfrequenter Radio- und Mikrowellenstrahlung interagiert ein Infrarotstrahler normalerweise mit Dipolen, die in einzelnen Molekülen vorhanden sind und sich an den Enden ändern, wenn sie vibrieren chemische Bindung auf atomarer Ebene.
3. Sichtbare Lichtemission. Mit zunehmender Frequenz im sichtbaren Bereich verfügen die Photonen über genügend Energie, um die Bindungsstruktur einiger einzelner Moleküle zu verändern.
4. Ultraviolette Strahlung. Die Frequenz nimmt zu. Ultraviolette Photonen enthalten jetzt genug Energie (mehr als drei Volt), um doppelt auf die Bindungen von Molekülen einzuwirken und diese ständig chemisch neu anzuordnen.
5. Ionisierende Strahlung. Bei höchsten Frequenzen und kürzesten Wellenlängen. Die Absorption dieser Strahlen durch Materie beeinflusst das gesamte Gammaspektrum. Der bekannteste Effekt ist Strahlung.

Was ist die Quelle elektromagnetischer Wellen?

Nach der jungen Theorie vom Ursprung aller Dinge entstand die Welt aus Impulsen. Er setzte kolossale Energie frei, die man nannte Urknall. So entstand die erste Em-Welle in der Geschichte des Universums.

Zu den Quellen der Störungsentstehung gehören derzeit:

• EMW wird von einem künstlichen Vibrator abgegeben;
• das Ergebnis der Schwingung von Atomgruppen oder Molekülteilen;
• bei Einwirkung auf die äußere Hülle des Stoffes (auf atomar-molekularer Ebene);
• lichtähnliche Wirkung;
• während des nuklearen Zerfalls;
• Folge der Elektronenbremsung.

Ausmaß und Anwendung elektromagnetischer Strahlung

Die Strahlungsskala bezieht sich auf einen großen Wellenfrequenzbereich von 3·10 6 ÷10 -2 bis 10 -9 ÷ 10 -14.

Jeder Teil des elektromagnetischen Spektrums hat ein breites Anwendungsspektrum in unserem täglichen Leben:

1. Kurzwellen (Mikrowellen). Diese elektrischen Wellen werden als Satellitensignal genutzt, da sie die Erdatmosphäre umgehen können. Außerdem wird eine leicht verbesserte Version zum Erhitzen und Kochen in der Küche verwendet – ein Mikrowellenherd. Das Kochprinzip ist einfach: Unter dem Einfluss von Mikrowellenstrahlung werden Wassermoleküle absorbiert und beschleunigt, wodurch das Gericht erhitzt wird.
2. In der Funktechnik werden lange Störungen (Radiowellen) genutzt. Ihre Frequenz lässt den Durchgang von Wolken und der Atmosphäre nicht zu, wodurch uns UKW-Radio und -Fernsehen zur Verfügung stehen.
3. Infrarotstörungen stehen in direktem Zusammenhang mit Hitze. Es ist fast unmöglich, ihn zu sehen. Versuchen Sie, ohne spezielle Ausrüstung den Strahl vom Bedienfeld Ihres Fernsehers, Ihrer Stereoanlage oder Ihres Autoradios wahrzunehmen. Geräte, die solche Wellen lesen können, werden in den Armeen der Länder eingesetzt (Nachtsichtgeräte). Auch in Induktionsherden in Küchen.
4. Ultraviolett steht auch im Zusammenhang mit Hitze. Der stärkste natürliche „Erzeuger“ dieser Strahlung ist die Sonne. Durch die Einwirkung ultravioletter Strahlung entsteht auf der menschlichen Haut eine Bräunung. In der Medizin wird diese Art von Wellen zur Desinfektion von Instrumenten, zur Abtötung von Keimen usw. eingesetzt.
5. Gammastrahlen sind die stärkste Strahlungsart, in der kurzwellige Störungen mit hoher Frequenz konzentriert sind. Die in diesem Teil des elektromagnetischen Spektrums enthaltene Energie verleiht den Strahlen eine größere Durchdringungskraft. Anwendbar in der Kernphysik - friedlich, Atomwaffen- Kampfeinsatz.

Der Einfluss elektromagnetischer Wellen auf die menschliche Gesundheit

Die Messung der Auswirkungen elektromagnetischer Felder auf den Menschen liegt in der Verantwortung der Wissenschaftler. Aber man muss kein Experte sein, um die Intensität zu schätzen ionisierende Strahlung– es provoziert Veränderungen auf der Ebene der menschlichen DNA, was solche mit sich bringt schwere Erkrankungen wie die Onkologie.

Nicht umsonst gelten die schädlichen Auswirkungen der Kernkraftwerkskatastrophe von Tschernobyl als eine der gefährlichsten für die Natur. Mehrere Quadratkilometer des einst so schönen Gebiets sind zu einer Zone völliger Ausgrenzung geworden. Bis zum Ende des Jahrhunderts stellt die Explosion im Kernkraftwerk Tschernobyl eine Gefahr dar, bis die Halbwertszeit der Radionuklide endet.

Einige Arten von Emwellen (Radio, Infrarot, Ultraviolett) verursachen beim Menschen keinen ernsthaften Schaden, sondern verursachen lediglich Unbehagen. Schließlich spüren wir praktisch nicht das Magnetfeld der Erde, sondern die EMK von Mobiltelefon verursachen kann Kopfschmerzen(Wirkung auf das Nervensystem).

Um Ihre Gesundheit vor Elektromagnetismus zu schützen, sollten Sie einfach angemessene Vorsichtsmaßnahmen treffen. Statt Hunderten von Stunden Computerspiel geh spazieren.

Elektromagnetische Wellen ist der Prozess der Ausbreitung eines elektromagnetischen Wechselfeldes im Raum. Theoretisch wurde die Existenz elektromagnetischer Wellen 1865 vom englischen Wissenschaftler Maxwell vorhergesagt und erstmals 1888 vom deutschen Wissenschaftler Hertz experimentell nachgewiesen.

Aus Maxwells Theorie folgen Formeln, die die Schwingungen von Vektoren und beschreiben. Ebene monochromatische elektromagnetische Welle, die sich entlang der Achse ausbreitet X, wird durch die Gleichungen beschrieben

Hier E Und H- Momentanwerte und E m und H m - Amplitudenwerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke, ω - Kreisfrequenz, k- Wellennummer. Vektoren und schwingen mit gleicher Frequenz und Phase, stehen zueinander senkrecht und darüber hinaus senkrecht zum Vektor – der W(Abb. 3.7). Das heißt, elektromagnetische Wellen sind transversal.

Im Vakuum breiten sich elektromagnetische Wellen mit hoher Geschwindigkeit aus. In einer Umgebung mit Dielektrizitätskonstante ε und magnetische Permeabilität µ Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle ist gleich:

Die Frequenz elektromagnetischer Schwingungen sowie die Wellenlänge können prinzipiell beliebig sein. Die Klassifizierung von Wellen nach Frequenz (oder Wellenlänge) wird als Skala elektromagnetischer Wellen bezeichnet. Elektromagnetische Wellen werden in verschiedene Typen unterteilt.

Radiowellen haben eine Wellenlänge von 10 3 bis 10 -4 m.

Lichtwellen enthalten:

Röntgenstrahlung - .

Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, die den infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums umfassen. Die Wellenlängen des Lichts im Vakuum, die den Primärfarben des sichtbaren Spektrums entsprechen, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Wellenlänge wird in Nanometern angegeben.

Tisch

Lichtwellen haben die gleichen Eigenschaften wie elektromagnetische Wellen.

1. Lichtwellen sind transversal.

2. Die Vektoren und schwingen in einer Lichtwelle.

Die Erfahrung zeigt, dass alle Arten von Einflüssen (physiologische, photochemische, photoelektrische usw.) durch Schwingungen des elektrischen Vektors verursacht werden. Sie rufen ihn an Lichtvektor .

Lichtvektoramplitude E m wird oft mit dem Buchstaben bezeichnet A und anstelle von Gleichung (3.30) wird Gleichung (3.24) verwendet.

3. Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Die Geschwindigkeit einer Lichtwelle in einem Medium wird durch die Formel (3.29) bestimmt. Bei transparenten Medien (Glas, Wasser) ist dies jedoch üblich.

Für Lichtwellen wird das Konzept des absoluten Brechungsindex eingeführt.

Absoluter Brechungsindex ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium

Aus (3.29) unter Berücksichtigung der Tatsache, dass wir für transparente Medien die Gleichheit schreiben können.

Für Vakuum ε = 1 und N= 1. Für jede physische Umgebung N> 1. Zum Beispiel für Wasser N= 1,33, für Glas. Ein Medium mit einem höheren Brechungsindex wird als optisch dichter bezeichnet. Das Verhältnis der absoluten Brechungsindizes wird aufgerufen relativer Brechungsindex:

4. Die Frequenz der Lichtwellen ist sehr hoch. Zum Beispiel für rotes Licht mit Wellenlänge.

Wenn Licht von einem Medium in ein anderes gelangt, ändert sich nicht die Frequenz des Lichts, sondern die Geschwindigkeit und die Wellenlänge.

Für Vakuum - ; für die Umwelt - dann

.

Daher ist die Wellenlänge des Lichts im Medium gleich dem Verhältnis der Wellenlänge des Lichts im Vakuum zum Brechungsindex

5. Weil die Frequenz der Lichtwellen sehr hoch ist , dann unterscheidet das Auge des Betrachters nicht einzelne Schwingungen, sondern nimmt durchschnittliche Energieflüsse wahr. Dies führt das Konzept der Intensität ein.

Intensität ist das Verhältnis der durchschnittlichen von der Welle übertragenen Energie zur Zeitspanne und zur Fläche des Ortes senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle:

Da die Wellenenergie proportional zum Quadrat der Amplitude ist (siehe Formel (3.25)), ist die Intensität proportional zum Mittelwert des Quadrats der Amplitude

Die Charakteristik der Lichtintensität unter Berücksichtigung ihrer Fähigkeit, visuelle Empfindungen hervorzurufen, ist Lichtstrom - F .

6. Die Wellennatur des Lichts äußert sich beispielsweise in Phänomenen wie Interferenz und Beugung.

), das das elektromagnetische Feld beschreibt, zeigte theoretisch, dass das elektromagnetische Feld im Vakuum ohne Quellen – Ladungen und Ströme – existieren kann. Ein Feld ohne Quellen hat die Form von Wellen, die sich mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreiten, die im Vakuum der Lichtgeschwindigkeit entspricht: Mit= 299792458±1,2 m/s. Das Zusammentreffen der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum mit der zuvor gemessenen Lichtgeschwindigkeit ließ Maxwell den Schluss ziehen, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Eine ähnliche Schlussfolgerung bildete später die Grundlage der elektromagnetischen Lichttheorie.

Im Jahr 1888 erhielt die Theorie der elektromagnetischen Wellen in den Experimenten von G. Hertz eine experimentelle Bestätigung. Mithilfe einer Hochspannungsquelle und Vibratoren (siehe Hertz-Vibrator) konnte Hertz subtile Experimente durchführen, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle und ihre Länge zu bestimmen. Es wurde experimentell bestätigt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, was die elektromagnetische Natur des Lichts bewies.

Viele Muster von Wellenprozessen sind universeller Natur und gelten gleichermaßen für Wellen unterschiedlicher Natur: mechanische Wellen in elastisches Medium, Wellen auf der Wasseroberfläche, in einer gespannten Schnur usw. Elektromagnetische Wellen, bei denen es sich um den Prozess der Ausbreitung von Schwingungen des elektromagnetischen Feldes handelt, bilden keine Ausnahme. Aber im Gegensatz zu anderen Arten von Wellen, deren Ausbreitung in einem materiellen Medium erfolgt, können sich elektromagnetische Wellen im Leeren ausbreiten: Für die Ausbreitung elektrischer und magnetischer Felder ist kein materielles Medium erforderlich. Elektromagnetische Wellen können jedoch nicht nur im Vakuum, sondern auch in Materie existieren.

Vorhersage elektromagnetischer Wellen. Die Existenz elektromagnetischer Wellen wurde von Maxwell theoretisch als Ergebnis der Analyse seines vorgeschlagenen Gleichungssystems zur Beschreibung des elektromagnetischen Feldes vorhergesagt. Maxwell zeigte, dass ein elektromagnetisches Feld im Vakuum auch ohne Quellen – Ladungen und Ströme – existieren kann. Ein Feld ohne Quellen hat die Form von Wellen, die sich mit einer endlichen Geschwindigkeit von cm/s ausbreiten, wobei die Vektoren der elektrischen und magnetischen Felder zu jedem Zeitpunkt an jedem Punkt im Raum senkrecht zueinander und senkrecht zur Richtung von sind Ausbreitung der Wellen.

Elektromagnetische Wellen wurden von Hertz nur 10 Jahre nach Maxwells Tod experimentell entdeckt und untersucht.

Vibrator öffnen. Um zu verstehen, wie elektromagnetische Wellen experimentell erhalten werden können, stellen Sie sich einen „offenen“ Schwingkreis vor, in dem die Platten des Kondensators auseinander bewegt werden (Abb. 176) und daher das elektrische Feld einen großen Raumbereich einnimmt. Mit zunehmendem Plattenabstand nimmt die Kapazität C des Kondensators ab und entsprechend der Thomson-Formel nimmt die Frequenz der Eigenschwingungen zu. Ersetzt man zusätzlich den Induktor durch ein Stück Draht, verringert sich die Induktivität und die Frequenz der Eigenschwingungen erhöht sich noch mehr. In diesem Fall wird nicht nur das elektrische, sondern auch das magnetische Feld, das zuvor im Inneren der Spule enthalten war, nun einen großen Raumbereich einnehmen, der diesen Draht bedeckt.

Eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz im Stromkreis sowie eine Erhöhung seiner lineare Abmessungen, führt dazu, dass die Periode eine eigene ist

Schwingungen werden vergleichbar mit der Ausbreitungszeit des elektromagnetischen Feldes entlang des gesamten Stromkreises. Dies bedeutet, dass die Prozesse natürlicher elektromagnetischer Schwingungen in einem solchen offenen Stromkreis nicht mehr als quasistationär angesehen werden können.

Reis. 176. Übergang vom Schwingkreis zum offenen Vibrator

Die Stärke des Stroms an verschiedenen Orten zur gleichen Zeit ist unterschiedlich: An den Enden des Stromkreises ist er immer Null und in der Mitte (wo vorher die Spule war) schwingt er mit maximaler Amplitude.

Im Grenzfall, wenn sich der Schwingkreis einfach in ein Stück geraden Draht verwandelt hat, ist die Stromverteilung entlang des Kreises zu einem bestimmten Zeitpunkt in Abb. 177a. In dem Moment, in dem die Stromstärke in einem solchen Vibrator maximal ist, erreicht auch das ihn umgebende Magnetfeld ein Maximum und es gibt kein elektrisches Feld in der Nähe des Vibrators. Nach einem Viertel der Periode geht die Stromstärke auf Null und damit auch das Magnetfeld in der Nähe des Vibrators; Elektrische Ladungen sind in der Nähe der Enden des Vibrators konzentriert und ihre Verteilung hat die in Abb. gezeigte Form. 1776. Das elektrische Feld in der Nähe des Vibrators ist zu diesem Zeitpunkt maximal.

Reis. 177. Stromverteilung entlang eines offenen Vibrators im Moment seines Maximums (a) und Ladungsverteilung nach einem Viertel der Periode (b)

Diese Ladungs- und Stromschwingungen, also elektromagnetische Schwingungen in einem offenen Vibrator, sind den mechanischen Schwingungen sehr ähnlich, die in der Schwingfeder auftreten können, wenn der daran befestigte massive Körper entfernt wird. In diesem Fall müssen Sie die Masse berücksichtigen Einzelteile Federn und betrachten es als ein verteiltes System, in dem jedes Element sowohl elastische als auch träge Eigenschaften hat. Bei einem offenen elektromagnetischen Vibrator weist jedes Element gleichzeitig sowohl Induktivität als auch Kapazität auf.

Elektrik und Magnetfeld Vibrator. Die nichtquasistationäre Natur der Schwingungen in einem offenen Vibrator führt dazu, dass sich die von seinen einzelnen Abschnitten in einem bestimmten Abstand vom Vibrator erzeugten Felder nicht mehr gegenseitig kompensieren, wie dies bei einem „geschlossenen“ Schwingkreis der Fall ist konzentrierte Parameter, bei denen die Schwingungen quasistationär sind, das elektrische Feld vollständig im Kondensator konzentriert ist und das magnetische Feld sich innerhalb der Spule befindet. Aufgrund dieser räumlichen Trennung der elektrischen und magnetischen Felder stehen sie nicht in direktem Zusammenhang miteinander: Ihre gegenseitige Umwandlung erfolgt nur durch den Strom – die Ladungsübertragung entlang des Stromkreises.

In einem offenen Vibrator, in dem sich elektrische und magnetische Felder im Raum überlappen, kommt es zu ihrer gegenseitigen Beeinflussung: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld und ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld. Dadurch wird die Existenz solcher „selbsttragender“ Felder möglich, die sich im freien Raum in großer Entfernung vom Vibrator ausbreiten. Dies sind die elektromagnetischen Wellen, die der Vibrator aussendet.

Hertz‘ Experimente. Der Vibrator, mit dessen Hilfe G. Hertz 1888 erstmals experimentell elektromagnetische Wellen erlangte, war ein gerader Leiter mit einem kleinen Luftspalt in der Mitte (Abb. 178a). Dank dieses Spalts war es möglich, die beiden Hälften des Vibrators erheblich aufzuladen. Wenn die Potentialdifferenz einen bestimmten Wert erreicht Grenzwert kam es zu einem Durchschlag im Luftspalt (ein Funke übersprang) und elektrische Ladungen konnten durch die ionisierte Luft von einer Hälfte des Vibrators zur anderen fließen. In einem offenen Stromkreis entstanden elektromagnetische Schwingungen. Um sicherzustellen, dass schnelle Wechselströme nur im Vibrator vorhanden sind und nicht durch die Stromquelle kurzgeschlossen werden, werden Drosseln zwischen Vibrator und Quelle geschaltet (siehe Abb. 178a).

Reis. 178. Hertz-Vibrator

Solange der Funke die Lücke zwischen seinen Hälften schließt, bestehen im Vibrator hochfrequente Schwingungen. Die Dämpfung solcher Schwingungen erfolgt in einem Vibrator hauptsächlich nicht durch Joulesche Widerstandsverluste (wie in einem geschlossenen). Schwingkreis), sondern aufgrund der Strahlung elektromagnetischer Wellen.

Um elektromagnetische Wellen zu erkennen, verwendete Hertz einen zweiten (Empfangs-)Vibrator (Abb. 1786). Unter dem Einfluss eines elektrischen Wechselfeldes einer vom Emitter kommenden Welle führen die Elektronen im empfangenden Vibrator erzwungene Schwingungen aus, d. h. im Vibrator wird ein schnell wechselnder Strom angeregt. Wenn die Abmessungen des Empfangsvibrators mit denen des Sendevibrators übereinstimmen, stimmen die Frequenzen der natürlichen elektromagnetischen Schwingungen in ihnen überein und die erzwungenen Schwingungen im Empfangsvibrator erreichen aufgrund der Resonanz einen spürbaren Wert. Hertz entdeckte diese Schwingungen durch das Entweichen eines Funkens in einem mikroskopischen Spalt in der Mitte des empfangenden Vibrators oder durch das Leuchten einer Miniatur-Gasentladungsröhre G, die zwischen den Hälften des Vibrators angeschlossen war.

Hertz bewies nicht nur experimentell die Existenz elektromagnetischer Wellen, sondern begann auch erstmals, deren Eigenschaften zu untersuchen – Absorption und Brechung in verschiedene Umgebungen, Reflexion von Metalloberflächen usw. Experimentell war es auch möglich, die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen zu messen, was sich als richtig herausstellte gleiche Geschwindigkeit Sweta.

Das Zusammentreffen der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen mit der Lichtgeschwindigkeit, die lange vor ihrer Entdeckung gemessen wurde, diente als Ausgangspunkt für die Identifizierung von Licht mit elektromagnetischen Wellen und die Erstellung der elektromagnetischen Theorie des Lichts.

Elektromagnetische Welle existiert ohne Feldquellen in dem Sinne, dass das elektromagnetische Feld der Welle nach ihrer Emission nicht mit der Quelle verbunden ist. Darin unterscheidet sich eine elektromagnetische Welle von statischen elektrischen und magnetischen Feldern, die außerhalb der Quelle nicht existieren.

Der Mechanismus der Strahlung elektromagnetischer Wellen. Die Emission elektromagnetischer Wellen erfolgt durch die beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen. Mithilfe der folgenden einfachen Argumentation von J. Thomson können Sie verstehen, wie das transversale elektrische Feld einer Welle aus dem radialen Coulomb-Feld einer Punktladung entsteht.

Reis. 179. Feld einer stationären Punktladung

Betrachten wir das elektrische Feld, das von einer Punktladung erzeugt wird. Wenn die Ladung ruht, wird ihr elektrostatisches Feld durch radiale Kraftlinien dargestellt, die von der Ladung ausgehen (Abb. 179). Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Ladung unter dem Einfluss einer äußeren Kraft, sich mit der Beschleunigung a zu bewegen, und nach einiger Zeit hört die Wirkung dieser Kraft auf, so dass sich die Ladung dann gleichmäßig mit der Geschwindigkeit bewegt der Ladungsbewegung ist in Abb. dargestellt. 180.

Stellen wir uns ein Bild der elektrischen Feldlinien vor, die nach einer langen Zeitspanne von dieser Ladung erzeugt werden. Da sich das elektrische Feld mit der Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet, gilt:

dann konnte die durch die Bewegung der Ladung verursachte Änderung des elektrischen Feldes keine Punkte erreichen, die außerhalb der Radiuskugel liegen: Außerhalb dieser Kugel ist das Feld das gleiche wie bei einer stationären Ladung (Abb. 181). Die Stärke dieses Feldes (im Gaußschen Einheitensystem) ist gleich

Die gesamte Änderung des elektrischen Feldes, die durch die beschleunigte zeitliche Bewegung der Ladung zu einem bestimmten Zeitpunkt verursacht wird, befindet sich innerhalb einer dünnen kugelförmigen Schicht mit einer Dicke, deren Außenradius gleich dem Innenradius ist – Dies ist in Abb. dargestellt. 181. Innerhalb einer Kugel mit Radius ist das elektrische Feld das Feld einer sich gleichmäßig bewegenden Ladung.

Reis. 180. Ladegeschwindigkeitsdiagramm

Reis. 181. Linien der elektrischen Feldstärke einer Ladung, die sich gemäß der Grafik in Abb. bewegt. 180

Reis. 182. Ableitung der Formel für die Strahlungsfeldstärke einer beschleunigten bewegten Ladung

Wenn die Geschwindigkeit der Ladung viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit c, dann fällt dieses Feld im Moment mit dem Feld einer stationären Punktladung zusammen, die sich in einiger Entfernung vom Anfang befindet (Abb. 181): dem Feld von a Die sich langsam und mit konstanter Geschwindigkeit bewegende Ladung bewegt sich mit ihr und die von der Ladung im Laufe der Zeit zurückgelegte Strecke, wie aus Abb. 180, kann als gleich angesehen werden, wenn g»t.

Das Muster des elektrischen Feldes innerhalb der Kugelschicht ist unter Berücksichtigung der Kontinuität der Feldlinien leicht zu finden. Dazu müssen Sie die entsprechenden radialen Kraftlinien verbinden (Abb. 181). Durch die beschleunigte Bewegung der Ladung „läuft“ der Knick in den Kraftlinien mit einer Geschwindigkeit c von der Ladung weg. Ein Bruch in den Stromleitungen dazwischen

Kugeln, das ist das für uns interessante Strahlungsfeld, das sich mit der Geschwindigkeit c ausbreitet.

Um das Strahlungsfeld zu finden, betrachten Sie eine der Intensitätslinien, die einen bestimmten Winkel mit der Richtung der Ladungsbewegung bilden (Abb. 182). Zerlegen wir den elektrischen Feldstärkevektor am Bruch E in zwei Komponenten: radial und transversal. Die radiale Komponente ist die Stärke des elektrostatischen Feldes, das durch die Ladung in einem Abstand davon erzeugt wird:

Die transversale Komponente ist die elektrische Feldstärke in der Welle, die die Ladung bei beschleunigter Bewegung aussendet. Da sich diese Welle entlang eines Radius ausbreitet, steht der Vektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Aus Abb. 182 Es ist klar, dass

Wenn wir hier aus (2) ersetzen, finden wir

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein Verhältnis die Beschleunigung a ist, mit der sich die Ladung im Zeitintervall von 0 bis bewegte, schreiben wir diesen Ausdruck in die Form um

Achten wir zunächst auf die Tatsache, dass die elektrische Feldstärke einer Welle umgekehrt proportional zum Abstand vom Zentrum abnimmt, im Gegensatz zur elektrostatischen Feldstärke, die wie erwartet proportional zu einer Abstandsabhängigkeit ist wenn wir den Energieerhaltungssatz berücksichtigen. Da bei der Ausbreitung einer Welle im Vakuum keine Energieabsorption auftritt, ist die Energiemenge, die durch eine Kugel mit beliebigem Radius geht, gleich. Da die Oberfläche einer Kugel proportional zum Quadrat ihres Radius ist, muss der Energiefluss durch eine Einheit ihrer Oberfläche umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Radius sein. Wenn man bedenkt, dass die Energiedichte des elektrischen Feldes der Welle gleich ist, kommen wir zu dem Schluss, dass

Als nächstes stellen wir fest, dass die Feldstärke der Welle in Formel (4) zu diesem Zeitpunkt von der Beschleunigung der Ladung abhängt und zu diesem Zeitpunkt die zu diesem Zeitpunkt emittierte Welle einen Punkt erreicht, der sich in einer Entfernung nach a befindet Zeit gleich

Strahlung einer oszillierenden Ladung. Nehmen wir nun an, dass sich die Ladung in der Nähe des Koordinatenursprungs ständig entlang einer geraden Linie mit variabler Beschleunigung bewegt und beispielsweise harmonische Schwingungen ausführt. Dann sendet es kontinuierlich elektromagnetische Wellen aus. Die elektrische Feldstärke der Welle an einem vom Koordinatenursprung entfernten Punkt wird weiterhin durch Formel (4) bestimmt, und das Feld zum jeweiligen Zeitpunkt hängt von der Beschleunigung der Ladung a zu einem früheren Zeitpunkt ab

Die Bewegung der Ladung sei harmonische Schwingung in der Nähe des Koordinatenursprungs mit einer bestimmten Amplitude A und Frequenz с:

Die Beschleunigung der Ladung während einer solchen Bewegung wird durch den Ausdruck angegeben

Wenn wir die Ladungsbeschleunigung in Formel (5) einsetzen, erhalten wir

Die Änderung des elektrischen Feldes an jedem Punkt während des Durchgangs einer solchen Welle stellt eine harmonische Schwingung mit einer Frequenz dar, d. h. eine oszillierende Ladung sendet eine monochromatische Welle aus. Natürlich gilt Formel (8) bei Abständen, die im Vergleich zur Amplitude der Schwingungen der Ladung A groß sind.

Elektromagnetische Wellenenergie. Die Energiedichte des elektrischen Feldes einer von einer Ladung emittierten monochromatischen Welle kann mit der Formel (8) ermittelt werden:

Die Energiedichte ist proportional zum Quadrat der Amplitude der Ladungsschwingungen und der vierten Potenz der Frequenz.

Jede Schwankung ist mit periodischen Energieübergängen von einer Art zur anderen und zurück verbunden. Beispielsweise gehen Schwingungen eines mechanischen Oszillators mit gegenseitigen Umwandlungen von kinetischer Energie und potentieller Energie der elastischen Verformung einher. Bei der Untersuchung elektromagnetischer Schwingungen in einem Stromkreis haben wir gesehen, dass das Analogon der potentiellen Energie eines mechanischen Oszillators die Energie des elektrischen Feldes in einem Kondensator und das Analogon der kinetischen Energie die Energie des Magnetfelds der Spule ist. Diese Analogie gilt nicht nur für lokalisierte Schwingungen, sondern auch für Wellenprozesse.

Bei einer monochromatischen Welle, die sich in einem elastischen Medium bewegt, unterliegen die kinetischen und potentiellen Energiedichten an jedem Punkt einer harmonischen Schwingung mit der doppelten Frequenz, sodass ihre Werte zu jedem Zeitpunkt übereinstimmen. Das Gleiche gilt für eine wandernde monochromatische elektromagnetische Welle: Die Energiedichten der elektrischen und magnetischen Felder erzeugen an jedem Punkt und zu jeder Zeit eine harmonische Schwingung mit einer Frequenz, die einander gleich ist.

Die Energiedichte des Magnetfelds wird als Induktion B wie folgt ausgedrückt:

Indem wir die Energiedichten der elektrischen und magnetischen Felder in einer sich bewegenden elektromagnetischen Welle gleichsetzen, sind wir überzeugt, dass die magnetische Feldinduktion in einer solchen Welle genauso von den Koordinaten und der Zeit abhängt wie die elektrische Feldstärke. Mit anderen Worten: In einer Wanderwelle sind die magnetische Feldinduktion und die elektrische Feldstärke an jedem Punkt und zu jeder Zeit gleich (im Gaußschen Einheitensystem):

Energiefluss elektromagnetischer Wellen. Die Gesamtenergiedichte des elektromagnetischen Feldes in einer Wanderwelle ist doppelt so groß wie die Energiedichte des elektrischen Feldes (9). Die von der Welle getragene Energieflussdichte y ist gleich dem Produkt aus Energiedichte und Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Mithilfe der Formel (9) können Sie sehen, dass der Energiefluss durch jede Oberfläche mit der Frequenz schwingt. Um den Durchschnittswert der Energieflussdichte zu ermitteln, muss der Ausdruck (9) über die Zeit gemittelt werden. Da der Durchschnittswert 1/2 beträgt, erhalten wir für

Reis. 183. Winkelverteilung der von einer oszillierenden Ladung abgegebenen Energie

Die Energieflussdichte in einer Welle hängt von der Richtung ab: In der Richtung, in der die Ladung schwingt, wird überhaupt keine Energie abgestrahlt Größte Menge Energie wird in einer Ebene senkrecht zu dieser Richtung emittiert. Die Winkelverteilung der von einer oszillierenden Ladung emittierten Energie ist in Abb. dargestellt. 183. Die Ladung schwingt entlang der Achse. Vom Koordinatenursprung werden Segmente gezeichnet, deren Länge proportional zur in einem gegebenen Fall emittierten Strahlung ist

Richtung der Energie, d.h. Das Diagramm zeigt eine Linie, die die Enden dieser Segmente verbindet.

Die Energieverteilung entlang der Raumrichtungen wird durch eine Fläche charakterisiert, die man durch Drehung des Diagramms um die Achse erhält

Polarisation elektromagnetischer Wellen. Die von einem Vibrator bei harmonischen Schwingungen erzeugte Welle wird als monochromatisch bezeichnet. Eine monochromatische Welle ist durch eine bestimmte Frequenz с und Wellenlänge X gekennzeichnet. Wellenlänge und Frequenz hängen durch die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung zusammen mit:

Eine elektromagnetische Welle im Vakuum ist transversal: Der Vektor der elektromagnetischen Feldstärke der Welle steht, wie aus den obigen Argumenten hervorgeht, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Gehen wir durch den Beobachtungspunkt P in Abb. 184 Kugel mit einem Mittelpunkt im Koordinatenursprung, um den die strahlende Ladung entlang ihrer Achse schwingt. Zeichnen wir Parallelen und Meridiane darauf. Dann ist der Vektor E des Wellenfeldes tangential zum Meridian gerichtet, und der Vektor B steht senkrecht zum Vektor E und ist tangential zur Parallele gerichtet.

Um dies zu überprüfen, betrachten wir die Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern in einer Wanderwelle genauer. Diese Felder sind nach der Emission der Welle nicht mehr mit der Quelle verbunden. Wenn sich das elektrische Feld einer Welle ändert, entsteht ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien, wie wir bei der Untersuchung des Verschiebungsstroms gesehen haben, senkrecht zu den elektrischen Feldlinien stehen. Dieses wechselnde Magnetfeld führt wiederum zur Entstehung eines elektrischen Wirbelfelds, das senkrecht zu dem Magnetfeld steht, das es erzeugt hat. Während sich die Welle ausbreitet, unterstützen sich also die elektrischen und magnetischen Felder gegenseitig und bleiben jederzeit senkrecht zueinander. Da bei einer Wanderwelle die Änderung des elektrischen und magnetischen Feldes phasengleich zueinander erfolgt, hat das momentane „Porträt“ der Welle (Vektoren E und B an verschiedenen Punkten der Linie entlang der Ausbreitungsrichtung) die in Abb . 185. Eine solche Welle nennt man linear polarisiert. Eine Ladung, die eine harmonische Schwingung ausführt, sendet linear polarisierte Wellen in alle Richtungen aus. Bei einer linear polarisierten Welle, die sich in eine beliebige Richtung ausbreitet, liegt der Vektor E immer in derselben Ebene.

Da Ladungen in einem linearen elektromagnetischen Vibrator genau diese Schwingbewegung durchlaufen, ist die vom Vibrator ausgesendete elektromagnetische Welle linear polarisiert. Dies lässt sich leicht experimentell überprüfen, indem man die Ausrichtung des empfangenden Vibrators relativ zum emittierenden ändert.

Reis. 185. Elektrische und magnetische Felder in einer wandernden linear polarisierten Welle

Das Signal ist am größten, wenn der empfangende Vibrator parallel zum emittierenden steht (siehe Abb. 178). Wenn der empfangende Vibrator senkrecht zum sendenden gedreht wird, verschwindet das Signal. Elektrische Schwingungen im Empfangsvibrator können nur aufgrund der elektrischen Feldkomponente der entlang des Vibrators gerichteten Welle auftreten. Daher deutet ein solches Experiment darauf hin, dass das elektrische Feld in der Welle parallel zum strahlenden Vibrator verläuft.

Auch andere Polarisationsarten transversaler elektromagnetischer Wellen sind möglich. Dreht sich beispielsweise der Vektor E an einem bestimmten Punkt beim Durchgang einer Welle gleichmäßig um die Ausbreitungsrichtung und bleibt dabei betragsmäßig unverändert, so nennt man die Welle zirkular polarisiert oder im Kreis polarisiert. Ein momentanes „Porträt“ des elektrischen Feldes einer solchen elektromagnetischen Welle ist in Abb. dargestellt. 186.

Reis. 186. Elektrisches Feld in einer wandernden zirkular polarisierten Welle

Eine zirkular polarisierte Welle kann durch Addition zweier linear polarisierter Wellen gleicher Frequenz und Amplitude erhalten werden, die sich in die gleiche Richtung ausbreiten, wobei die elektrischen Feldvektoren senkrecht zueinander stehen. Bei jeder Welle erfährt der elektrische Feldvektor an jedem Punkt eine harmonische Schwingung. Damit die Addition solcher zueinander senkrechten Schwingungen zu einer Drehung des resultierenden Vektors führt, ist eine Phasenverschiebung erforderlich. Mit anderen Worten müssen die addierten linear polarisierten Wellen um ein Viertel der Wellenlänge gegeneinander verschoben werden.

Wellenimpuls und leichter Druck. Neben der Energie besitzt eine elektromagnetische Welle auch einen Impuls. Wenn eine Welle absorbiert wird, wird ihr Impuls auf das Objekt übertragen, das sie absorbiert. Daraus folgt, dass die elektromagnetische Welle bei Absorption einen Druck auf die Barriere ausübt. Der Ursprung des Wellendrucks und die Größe dieses Drucks lassen sich wie folgt erklären.

In einer geraden Linie ausgerichtet. Dann ist die von der Ladung aufgenommene Leistung P gleich

Wir gehen davon aus, dass die gesamte Energie der einfallenden Welle von der Barriere absorbiert wird. Da eine Welle Energie pro Flächeneinheit eines Hindernisses pro Zeiteinheit bringt, ist der von der Welle bei senkrechtem Einfall ausgeübte Druck gleich der Energiedichte der Welle, die die absorbierte elektromagnetische Welle pro Zeiteinheit auf das Hindernis ausübt Zeiteinheit ein Impuls, der nach Formel (15) der absorbierten Energie dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit c entspricht. Das bedeutet, dass die absorbierte elektromagnetische Welle einen Impuls hatte, der der Energie dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Der Druck elektromagnetischer Wellen wurde erstmals 1900 von P. N. Lebedev in äußerst subtilen Experimenten experimentell entdeckt.

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