Електромагнетни таласи, електромагнетно зрачење, ширење електромагнетних таласа

Џејмс Клерк Максвел је 1864. године предвидео могућност електромагнетних таласа у свемиру. Он је ову тврдњу изнео на основу закључака изведених из анализе свих тада познатих експерименталних података о електрицитету и магнетизму.

Максвел је математички спојио законе електродинамике, повезујући електричне и магнетне појаве, и тако дошао до закључка да електрично и магнетно поље, које се мењају током времена, генеришу једно друго.

У почетку је нагласио да однос између магнетних и електричних феномена није симетричан и увео појам „вртложног електричног поља“, нудећи сопствено, заиста ново објашњење феномена електромагнетне индукције које је открио Фарадеј: „свака промена магнетног поља поље доводи до појаве у околном простору вртложног електричног поља са затвореним линијама силе”.

Према Максвелу, тачна је и супротна изјава да „променљиво електрично поље производи магнетно поље у околном простору“, али је ова изјава у почетку остала само хипотеза.

Максвел је написао систем математичких једначина које доследно описују законе међусобне трансформације магнетног и електричног поља, ове једначине су касније постале основне једначине електродинамике и почеле да се називају „Максвелове једначине“ у част великог научника.који је написао њих доле. Максвелова хипотеза, заснована на написаним једначинама, има неколико закључака који су изузетно важни за науку и технологију, а који су представљени у наставку.

Електромагнетни таласи постоје

У свемиру могу постојати попречни електромагнетни таласи који се шире током времена електромагнетно поље… Да су таласи попречни показује чињеница да су вектори магнетне индукције Б и јачине електричног поља Е међусобно окомити и оба леже у равни која је управна на правац простирања електромагнетног таласа.

Електромагнетни таласи се шире коначном брзином

Брзина простирања електромагнетних таласа у датој супстанци је коначна и одређена је електричним и магнетним својствима супстанце кроз коју се талас шири. Дужина синусоидног таласа λ у овом случају је повезана са брзином υ са одређеним тачним односом λ = υ / ф и зависи од фреквенције ф осцилација поља. Брзина ц електромагнетног таласа у вакууму је једна од основних физичких константи — брзина светлости у вакууму.

Пошто је Максвел изјавио да је брзина простирања електромагнетног таласа коначна, то је створило контрадикцију између његове хипотезе и тадашње прихваћене теорије дејства на великим удаљеностима, према којој је брзина простирања таласа требало да буде бесконачна. Стога се Максвелова теорија назива теоријом дејства кратког домета.

Електромагнетни талас је електрично и магнетно поље које се међусобно претварају једно у друго.

У електромагнетном таласу трансформација електричног и магнетног поља једно у друго се дешава истовремено, па су запреминске густине магнетне и електричне енергије међусобно једнаке. Стога је тачно да су модули Јачина електричног поља и индукција магнетног поља су међусобно повезани у било којој тачки у простору кроз следећу везу:

Електромагнетни таласи носе енергију

Електромагнетни талас у процесу свог ширења ствара ток електромагнетне енергије, а ако узмемо у обзир површину у равни која је окомита на правац простирања таласа, тада ће се кроз њега кретати одређена количина електромагнетне енергије у Недуго. Густина флукса електромагнетне енергије је количина енергије коју електромагнетни талас преноси преко површине по јединици површине у јединици времена. Заменом вредности брзине, као и магнетне и електричне енергије, могуће је добити израз за густину флукса у виду величина Е и Б.

Поинтингов вектор — вектор тока енергије таласа

Пошто се правац простирања енергије таласа поклапа са смером брзине простирања таласа, ток енергије који се простире у електромагнетном таласу може се подесити коришћењем вектора усмереног на исти начин као и брзина простирања таласа. Овај вектор се назива „Појнтингов вектор“ — у част британског физичара Хенрија Појнтинга, који је 1884. развио теорију ширења енергетског тока електромагнетног поља. Густина флукса енергије таласа се мери у В/м2.

Електромагнетни таласи притискају тела која их рефлектују или апсорбују

Када електрично поље делује на супстанцу, у њој се појављују мале струје које су уређено кретање електрично наелектрисаних честица. Ове струје у магнетном пољу електромагнетног таласа су подвргнуте дејству Амперове силе, која је усмерена дубоко у супстанцу. Као резултат, Амперова сила ствара притисак.

Ову појаву је касније, 1900. године, истражио и емпиријски потврдио руски физичар Петар Николајевич Лебедев, чији је експериментални рад био веома важан за потврђивање Максвелове теорије електромагнетизма и њеног прихватања и одобравања у будућности.

Чињеница да електромагнетни талас врши притисак омогућава да се процени присуство механичког импулса у електромагнетном пољу, који се по јединици запремине може изразити запреминском густином електромагнетне енергије и брзином простирања таласа у вакууму:

Пошто је импулс повезан са кретањем масе, могуће је увести такав концепт као што је електромагнетна маса, а онда ће за јединичну запремину овај однос (у складу са СТР) попримити карактер универзалног закона природе и важиће за било која материјална тела без обзира на облик материје. Тада је електромагнетно поље слично материјалном телу — има енергију В, масу м, импулс п и терминалну брзину в. То јест, електромагнетно поље је један од облика материје која стварно постоји у природи.

Коначна потврда Максвелове теорије

Први пут 1888. Хајнрих Херц је експериментално потврдио Максвелову електромагнетну теорију. Он је емпиријски доказао реалност електромагнетних таласа и проучавао њихова својства као што су преламање и апсорпција у различитим медијима, као и рефлексија таласа од металних површина.

Херц мери таласну дужину електромагнетно зрачење, и показао да је брзина простирања електромагнетног таласа једнака брзини светлости. Херцов експериментални рад био је последњи корак ка прихватању Максвелове електромагнетне теорије. Седам година касније, 1895. године, руски физичар Александар Степанович Попов користио је електромагнетне таласе да створи бежичну комуникацију.

Електромагнетни таласи се побуђују само убрзаним покретним наелектрисањем

У колима једносмерне струје наелектрисања се крећу константном брзином и електромагнетни таласи се у овом случају не емитују у свемир.Да би дошло до зрачења потребно је користити антену у којој су наизменичне струје тј. који брзо мењају свој правац, узбудио би се.

У свом најједноставнијем облику, електрични дипол мале величине је погодан за зрачење електромагнетних таласа где би се диполни момент брзо мењао током времена. Такав дипол се данас назива „Херцијанов дипол“, чија је величина неколико пута мања од таласне дужине коју емитује.

Када се емитује из Херцовог дипола, максимални флукс електромагнетне енергије пада на раван окомиту на осу дипола. Не постоји зрачење електромагнетне енергије дуж осе дипола. У Херцовим најважнијим експериментима, елементарни диполи су коришћени и за емитовање и за пријем електромагнетних таласа, доказујући постојање електромагнетних таласа.