قدم م. فاراداي مفهوم المجال:

مجال كهروستاتيكي حول شحنة في حالة السكون

حول الشحنات المتحركة (التيار) يوجد مجال مغناطيسي.

وفي عام 1830 اكتشف م. فاراداي هذه الظاهرة الحث الكهرومغناطيسي: عندما يتغير حقل مغناطيسيهناك دوامة الحقل الكهربائي.

الشكل 2.7 - المجال الكهربائي الدوامي

أين،
- ناقلات قوة المجال الكهربائي،
- ناقل الحث المغناطيسي.

يخلق المجال المغناطيسي المتناوب مجالًا كهربائيًا دواميًا.

في عام 1862 د.ك. طرح ماكسويل فرضية مفادها أنه عندما يتغير المجال الكهربائي، ينشأ مجال مغناطيسي دوامي.

نشأت فكرة وجود مجال كهرومغناطيسي واحد.

الشكل 2.8 - المجال الكهرومغناطيسي الموحد.

يخلق المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا دواميًا.

حقل كهرومغناطيسي- هذا شكل خاص من المادة - مزيج من المجالات الكهربائية والمغناطيسية. توجد مجالات كهربائية ومغناطيسية متغيرة في وقت واحد وتشكل مجالًا كهرومغناطيسيًا واحدًا. وهي مادة:

يتجلى في العمل على كل من الشحنات الساكنة والمتحركة؛

ينتشر بسرعة عالية ولكن محدودة.

إنه موجود بشكل مستقل عن إرادتنا ورغباتنا.

عند معدل شحنة صفر، لا يوجد سوى مجال كهربائي. وبمعدل شحن ثابت، يتم إنشاء مجال كهرومغناطيسي.

ومع تسارع حركة الشحنة تنبعث موجة كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء بسرعة محدودة .

يعود تطوير فكرة الموجات الكهرومغناطيسية إلى ماكسويل، لكن فاراداي كان على علم بوجودها بالفعل، على الرغم من أنه كان يخشى نشر العمل (لقد تمت قراءته بعد أكثر من 100 عام من وفاته).

الشرط الرئيسي لظهور الموجة الكهرومغناطيسية هو الحركة المتسارعة للشحنات الكهربائية.

ما هي الموجة الكهرومغناطيسية، فمن السهل أن نتصور المثال التالي. إذا رميت حصاة على سطح الماء، تتشكل موجات متباينة في دوائر على السطح. وهي تتحرك من مصدر حدوثها (الاضطراب) بسرعة انتشار معينة. بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية، الاضطرابات عبارة عن مجالات كهربائية ومغناطيسية تتحرك في الفضاء. يؤدي المجال الكهرومغناطيسي المتغير بمرور الوقت بالضرورة إلى ظهور مجال مغناطيسي متناوب، والعكس صحيح. هذه الحقول مترابطة.

المصدر الرئيسي لطيف الموجات الكهرومغناطيسية هو نجم الشمس. جزء من طيف الموجات الكهرومغناطيسية تراه العين البشرية. يقع هذا الطيف ضمن 380...780 نانومتر (الشكل 2.1). في الطيف المرئي، ترى العين الضوء بشكل مختلف. التذبذبات الكهرومغناطيسية ذات الأطوال الموجية المختلفة تسبب الإحساس بالضوء بألوان مختلفة.

الشكل 2.9 - طيف الموجات الكهرومغناطيسية

ويستخدم جزء من طيف الموجات الكهرومغناطيسية لأغراض البث الإذاعي والتلفزيوني والاتصالات. مصدر الموجات الكهرومغناطيسية هو سلك (هوائي) تتقلب فيه الشحنات الكهربائية. إن عملية تكوين الحقول، التي بدأت بالقرب من السلك، تدريجيًا، نقطة تلو الأخرى، تلتقط المساحة بأكملها. كلما زاد تردد التيار المتردد الذي يمر عبر السلك ويولد مجالًا كهربائيًا أو مغناطيسيًا، زادت كثافة موجات الراديو ذات الطول المحدد الناتجة عن السلك.

مذياع(lat. راديو - ينبعث، ينبعث أشعة ← نصف القطر - شعاع) - نوع من الاتصالات اللاسلكية حيث يتم استخدام موجات الراديو التي تنتشر بحرية في الفضاء كحامل إشارة.

موجات الراديو(من الراديو...)، موجات كهرومغناطيسية بطول موجي أكبر من 500 ميكرومتر (تردد< 6×10 12 Гц).

موجات الراديو عبارة عن مجالات كهربائية ومغناطيسية تتغير بمرور الوقت. سرعة انتشار الموجات الراديوية في الفضاء الحر هي 300000 كم/ث. وعلى هذا يمكن تحديد طول موجة الراديو (م).

φ=300/و،حيث f - التردد (MHz)

يتم تحويل الاهتزازات الصوتية للهواء التي تنشأ أثناء محادثة هاتفية بواسطة الميكروفون إلى اهتزازات كهربائية ذات تردد صوتي، والتي يتم نقلها عبر الأسلاك إلى أجهزة المشترك. هناك، في الطرف الآخر من الخط، بمساعدة باعث الهاتف، يتم تحويلها إلى اهتزازات هوائية ينظر إليها المشترك على أنها أصوات. في الهاتف، وسائل الاتصال هي الأسلاك، وفي البث الإذاعي، موجات الراديو.

"قلب" مرسل أي محطة راديو هو مولد - جهاز يولد تذبذبات ذات تردد عالٍ ولكن ثابت تمامًا لمحطة راديو معينة. تدخل تذبذبات الترددات الراديوية هذه، التي يتم تضخيمها إلى الطاقة المطلوبة، إلى الهوائي وتثير في الفضاء المحيط تذبذبات كهرومغناطيسية لها نفس التردد تمامًا - موجات الراديو. وسرعة إزالة موجات الراديو من هوائي محطة الراديو تساوي سرعة الضوء: 300000 كم/ثانية، وهي أسرع بمليون مرة تقريبًا من انتشار الصوت في الهواء. وهذا يعني أنه إذا تم تشغيل جهاز الإرسال في محطة إذاعة موسكو في وقت ما، فإن موجات الراديو الخاصة به ستصل إلى فلاديفوستوك في أقل من 1/30 ثانية، وسيكون للصوت خلال هذا الوقت وقت للانتشار فقط 10-11 م.

لا تنتشر موجات الراديو في الهواء فحسب، بل تنتشر أيضًا في أماكن لا توجد بها، على سبيل المثال، في الفضاء الخارجي. وهي تختلف في هذا عن الموجات الصوتية التي يكون فيها الهواء أو أي وسط كثيف آخر، مثل الماء، ضروريًا للغاية.

موجه كهرومغناطيسية هو مجال كهرومغناطيسي ينتشر في الفضاء (تذبذبات المتجهات
). بالقرب من الشحنة، يتغير المجالان الكهربائي والمغناطيسي بإزاحة الطور p/2.

الشكل 2.10 - المجال الكهرومغناطيسي الموحد.

على مسافة كبيرة من الشحنة، يتغير طور المجالين الكهربائي والمغناطيسي.

الشكل 2.11 - التغير في الطور في المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

الموجة الكهرومغناطيسية عرضية. يتزامن اتجاه سرعة الموجة الكهرومغناطيسية مع اتجاه حركة المسمار الأيمن عند تدوير مقبض المثقاب المتجه إلى المتجه .

الشكل 2.12 - الموجة الكهرومغناطيسية.

علاوة على ذلك، في الموجة الكهرومغناطيسية، العلاقة
، حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ.

قام ماكسويل نظريًا بحساب طاقة وسرعة الموجات الكهرومغناطيسية.

هكذا، تتناسب طاقة الموجة بشكل مباشر مع القوة الرابعة للتردد. وهذا يعني أنه من أجل تثبيت الموجة بسهولة أكبر، من الضروري أن تكون ذات تردد عالٍ.

تم اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة ج. هيرتز (1887).

لا تشع الدائرة التذبذبية المغلقة موجات كهرومغناطيسية: يتم تحويل كل طاقة المجال الكهربائي للمكثف إلى طاقة المجال المغناطيسي للملف. يتم تحديد تردد التذبذب بواسطة معلمات الدائرة التذبذبية:
.

الشكل 2.13 - الدائرة التذبذبية.

لزيادة التردد، من الضروري تقليل L وC، أي. تحويل الملف إلى سلك مستقيم، وكما
، تقليل مساحة اللوحات ونشرها إلى أقصى مسافة. وهذا يدل على أننا حصلنا، في جوهره، على موصل مستقيم.

يسمى هذا الجهاز هزاز هيرتز. يتم قطع الوسط وتوصيله بمحول عالي التردد. بين نهايات الأسلاك المثبتة عليها موصلات كروية صغيرة، تقفز شرارة كهربائية، وهي مصدر الموجة الكهرومغناطيسية. تنتشر الموجة بطريقة تجعل ناقل شدة المجال الكهربائي يتأرجح في المستوى الذي يوجد فيه الموصل.

الشكل 2.14 - هزاز هيرتز.

إذا تم وضع نفس الموصل (الهوائي) بالتوازي مع الباعث، فإن الشحنات الموجودة فيه سوف تتأرجح وسوف تقفز الشرارات الضعيفة بين الموصلات.

اكتشف هيرتز الموجات الكهرومغناطيسية في إحدى التجارب وقام بقياس سرعتها، والتي تزامنت مع السرعة التي حسبها ماكسويل والتي تساوي c=3. 10 8 م/ث.

يولد المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا، والذي بدوره يولد مجالًا كهربائيًا متناوبًا، أي أن الهوائي الذي يثير أحد المجالات يتسبب في ظهور حقل واحد حقل كهرومغناطيسي. وأهم خاصية لهذا المجال هو أنه ينتشر على شكل موجات كهرومغناطيسية.

تعتمد سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في وسط عديم الضياع على النفاذية العازلة والمغناطيسية نسبيًا للوسط. بالنسبة للهواء، فإن النفاذية المغناطيسية للوسط تساوي واحدًا، وبالتالي فإن سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في هذه الحالة تساوي سرعة الضوء.

يمكن أن يكون الهوائي عبارة عن سلك عمودي مدعوم بمولد عالي التردد. يصرف المولد الطاقة لتسريع حركة الإلكترونات الحرة في الموصل، وتتحول هذه الطاقة إلى مجال كهرومغناطيسي متناوب، أي موجات كهرومغناطيسية. كلما زاد تردد تيار المولد، كلما تغير المجال الكهرومغناطيسي بشكل أسرع وأصبح شفاء الموجة أكثر كثافة.

ترتبط الهوائيات بالسلك مثل المجال الكهربائي، خطوط القوةالذي يبدأ بشحنات موجبة وينتهي بشحنات سالبة، والمجال المغناطيسي الذي تنغلق خطوطه حول تيار السلك. كلما قصرت فترة التذبذب، قل الوقت المتبقي لعودة طاقة الحقول المقيدة إلى السلك (أي إلى المولد) وكلما مرت أكثر في الحقول الحرة، التي تنتشر أكثر على شكل موجات كهرومغناطيسية. يحدث الإشعاع الفعال للموجات الكهرومغناطيسية بشرط التناسب بين الطول الموجي وطول السلك المشع.

وهكذا يمكن تحديد ذلك موجة الراديو- هذا مجال كهرومغناطيسي غير مرتبط بالباعث وأجهزة تشكيل القنوات، وينتشر بحرية في الفضاء على شكل موجة بتردد تذبذب من 10 -3 إلى 10 12 هرتز.

يتم إنشاء تذبذبات الإلكترونات في الهوائي بواسطة مصدر المجال الكهرومغناطيسي المتغير بشكل دوري مع فترة ت. إذا كان للحقل الموجود في الهوائي قيمة قصوى في وقت ما، فسيكون له نفس القيمة بعد فترة ت. خلال هذا الوقت، سينتقل المجال الكهرومغناطيسي الموجود في اللحظة الأولية عند الهوائي إلى مسافة بعيدة

ε = υТ (1)

يسمى الحد الأدنى للمسافة بين نقطتين في الفضاء حيث الحقل له نفس القيمة الطول الموجي.على النحو التالي من (1)، الطول الموجي λ يعتمد على سرعة انتشاره وفترة تذبذب الإلكترونات في الهوائي. لأن تكرارحاضِر F = 1 / ت، ثم الطول الموجي λ = υ / F .

يتضمن رابط الراديو الأجزاء الرئيسية التالية:

الارسال

المتلقي

الوسط الذي تنتشر فيه موجات الراديو.

يعد المرسل والمستقبل عنصرين يمكن التحكم فيهما في الوصلة الراديوية، حيث أنه من الممكن زيادة طاقة المرسل، وتوصيل هوائي أكثر كفاءة، وزيادة حساسية جهاز الاستقبال. الوسيط هو عنصر غير متحكم فيه في الارتباط الراديوي.

الفرق بين خط الاتصال اللاسلكي والخطوط السلكية هو أن الخطوط السلكية تستخدم الأسلاك أو الكابلات كحلقة توصيل، وهي عناصر يمكن التحكم فيها (يمكنك تغيير معلماتها الكهربائية).

تم التنبؤ بوجود الموجات الكهرومغناطيسية نظريًا من قبل الفيزيائي الإنجليزي العظيم ج. ماكسويل في عام 1864. قام ماكسويل بتحليل جميع قوانين الديناميكا الكهربائية المعروفة في ذلك الوقت وحاول تطبيقها على المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت. ولفت الانتباه إلى عدم تناسق العلاقة بين الكهرباء و الظواهر المغناطيسية. أدخل ماكسويل مفهوم المجال الكهربائي الدوامي إلى الفيزياء واقترح تفسيرًا جديدًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي الذي اكتشفه فاراداي عام 1831:

وأي تغير في المجال المغناطيسي يولد مجالا كهربائيا دواميا في الفضاء المحيط تكون خطوط قوته مغلقة.

افترض ماكسويل وجود العملية العكسية أيضًا:

يولد المجال الكهربائي المتغير بمرور الوقت مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط.

أرز. يوضح الشكل 2.6.1 و2.6.2 التحول المتبادل للمجالات الكهربائية والمغناطيسية.

كانت هذه الفرضية مجرد افتراض نظري لم يكن له تأكيد تجريبي، ولكن على أساسه تمكن ماكسويل من كتابة نظام ثابت من المعادلات التي تصف التحولات المتبادلة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية، أي نظام المعادلات حقل كهرومغناطيسي(معادلات ماكسويل). هناك عدد من الاستنتاجات المهمة التي تنبع من نظرية ماكسويل:

1. هناك موجات كهرومغناطيسية، أي مجال كهرومغناطيسي ينتشر في المكان والزمان. موجات كهرومغناطيسية مستعرض- المتجهات وتكون متعامدة مع بعضها البعض وتقع في مستوى متعامد مع اتجاه انتشار الموجة (الشكل 2.6.3).

2. تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في المادة السرعة النهائية

هنا ε و μ هما النفاذية العازلة والمغناطيسية للمادة، ε 0 و μ 0 هما الثوابت الكهربائية والمغناطيسية:

ε 0 \u003d 8.85419 10 -12 ف / م,

μ 0 \u003d 1.25664 10 -6 ح / م.

يرتبط الطول الموجي lect في الموجة الجيبية بسرعة υ لانتشار الموجة بالعلاقة lect = υ ت = υ / F، أين F- تردد تذبذبات المجال الكهرومغناطيسي، ت = 1 / F.

سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ (ε = μ = 1):

سرعة جيعد انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ أحد الثوابت الفيزيائية الأساسية.

كان استنتاج ماكسويل حول سرعة الانتشار المحدودة للموجات الكهرومغناطيسية يتعارض مع المقبول في ذلك الوقت نظرية بعيدة المدى ، حيث كان من المفترض أن تكون سرعة انتشار المجالات الكهربائية والمغناطيسية كبيرة بلا حدود. ولذلك تسمى نظرية ماكسويل بالنظرية مدى قصير.

3. تحدث التحولات المتبادلة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية في الموجة الكهرومغناطيسية. تستمر هذه العمليات في وقت واحد، ويعمل المجالان الكهربائي والمغناطيسي كشركاء متساويين. ولذلك فإن الكثافة الحجمية للطاقة الكهربائية والمغناطيسية متساوية: ثه = ثم.

ويترتب على ذلك أنه في الموجة الكهرومغناطيسية، ترتبط وحدات تحريض المجال المغناطيسي وشدة المجال الكهربائي عند كل نقطة في الفضاء بالعلاقة

4. تحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة. عندما تنتشر الموجات، ينشأ تدفق للطاقة الكهرومغناطيسية. إذا قمت بتحديد موقع س(الشكل 2.6.3)، موجه بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة، ثم في وقت قصير Δ رسوف تتدفق الطاقة Δ عبر المنصة دبليواه متساوي

Δ دبليوم = ( ثه + ثم)υ سΔ ر.

كثافة التدفق أو شدة أناتسمى الطاقة الكهرومغناطيسية التي تحملها موجة لكل وحدة زمنية عبر سطح وحدة المساحة:

استبدال هنا التعبيرات ل ثأوه، ثم و υ، يمكنك الحصول على:

يمكن تحديد تدفق الطاقة في موجة كهرومغناطيسية باستخدام متجه يتطابق اتجاهه مع اتجاه انتشار الموجة، ومعامله يساوي إب/ μμ 0 . ويسمى هذا المتجه ناقل بوينتينج .

في موجة جيبية (توافقية) في الفراغ، القيمة المتوسطة أنا cf كثافة تدفق الطاقة الكهرومغناطيسية تساوي

أين ه 0 - سعة تذبذبات شدة المجال الكهربائي.

يتم قياس كثافة تدفق الطاقة في SI واط لكل متر مربع (ث / م2).

5. يستنتج من نظرية ماكسويل أن الموجات الكهرومغناطيسية يجب أن تمارس ضغطًا على الجسم الممتص أو العاكس. يتم تفسير ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي من خلال حقيقة أنه تحت تأثير المجال الكهربائي للموجة، تنشأ تيارات ضعيفة في المادة، أي الحركة المنظمة للجزيئات المشحونة. وتتأثر هذه التيارات بقوة أمبير من جانب المجال المغناطيسي للموجة، موجهة إلى سمك المادة. هذه القوة تخلق الضغط الناتج. عادة ما يكون ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي ضئيلا. لذلك، على سبيل المثال، الضغط اشعاع شمسي، قادمة إلى الأرض، على سطح ممتص تمامًا تبلغ حوالي 5 ميكروباسكال. تم إجراء التجارب الأولى لتحديد ضغط الإشعاع على الأجسام العاكسة والممتصة، والتي أكدت استنتاجات نظرية ماكسويل، على يد بيتر نيكولايفيتش ليبيديف في عام 1900. وكانت تجارب ليبيديف ذات أهمية كبيرة للموافقة على نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية.

إن وجود ضغط الموجات الكهرومغناطيسية يسمح لنا باستنتاج أن المجال الكهرومغناطيسي متأصل فيه دفعة ميكانيكية. يتم التعبير عن زخم المجال الكهرومغناطيسي في وحدة الحجم بالعلاقة

أين ثم - الكثافة الحجمية للطاقة الكهرومغناطيسية، جهي سرعة انتشار الموجة في الفراغ. إن وجود النبضة الكهرومغناطيسية يسمح لنا بتقديم مفهوم الكتلة الكهرومغناطيسية.

لحقل في وحدة الحجم

هذا يعني:

هذه العلاقة بين كتلة وطاقة المجال الكهرومغناطيسي في وحدة الحجم هي قانون عالمي للطبيعة. ووفقا للنظرية النسبية الخاصة (SRT)، فإن هذا ينطبق على أي أجسام، بغض النظر عن طبيعتها وبنيتها الداخلية.

وبالتالي، فإن المجال الكهرومغناطيسي لديه كل سمات الأجسام المادية - الطاقة، وسرعة الانتشار المحدودة، والزخم، والكتلة. وهذا يشير إلى أن المجال الكهرومغناطيسي هو أحد أشكال وجود المادة.

6. تم تقديم أول تأكيد تجريبي لنظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية بعد حوالي 15 عامًا من إنشاء النظرية في تجارب هاينريش هيرتز (1888). لم يثبت هيرتز تجريبيًا وجود الموجات الكهرومغناطيسية فحسب، بل بدأ لأول مرة في دراسة خصائصها - الامتصاص والانكسار في الوسائط المختلفة، والانعكاس من الأسطح المعدنية، وما إلى ذلك. وتمكن من قياس الطول الموجي وسرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، والتي تبين أنه سرعة متساويةسفيتا.

لعبت تجارب هيرتز دورًا حاسمًا في إثبات نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية والاعتراف بها. وبعد سبع سنوات من هذه التجارب، وجدت الموجات الكهرومغناطيسية تطبيقًا في الاتصالات اللاسلكية (أ.س. بوبوف، 1895).

7. لا يمكن إلا إثارة الموجات الكهرومغناطيسية رسوم سريعة الحركة. السلاسل التيار المباشرالتي تتحرك فيها حاملات الشحنة بسرعة ثابتة، ليست مصدرًا للموجات الكهرومغناطيسية. في الهندسة الراديوية الحديثة، يتم إنتاج إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية باستخدام الهوائيات. تصاميم مختلفة، حيث يتم إثارة التيارات المتناوبة السريعة.

إن أبسط نظام يصدر موجات كهرومغناطيسية هو ثنائي القطب الكهربائي الصغير، وهو عزم ثنائي القطب ص (ر) والتي تتغير بسرعة مع مرور الوقت.

ويسمى هذا ثنائي القطب الابتدائي ثنائي القطب هيرتز . في الهندسة الراديوية، يعادل ثنائي القطب الهيرتزي هوائيًا صغيرًا، حجمه أصغر بكثير من طول الموجة  (الشكل 2.6.4).

أرز. 2.6.5 يعطي فكرة عن بنية الموجة الكهرومغناطيسية المنبعثة من ثنائي القطب هذا.

تجدر الإشارة إلى أن الحد الأقصى لتدفق الطاقة الكهرومغناطيسية ينبعث في مستوى متعامد مع المحور ثنائي القطب. ثنائي القطب لا يشع الطاقة على طول محوره. استخدم هيرتز ثنائي القطب الأولي كهوائي إرسال واستقبال في إثبات تجريبي لوجود الموجات الكهرومغناطيسية.

فلاديمير الإقليمي
صناعي - تجاري
مدرسة ثانوية

خلاصة

موجات كهرومغناطيسية

مكتمل:
الطالب 11 فئة "ب".
لفوف ميخائيل
التحقق:

فلاديمير 2001

1. مقدمة ………………………………………………………………………………………………………………………………… 3

2. مفهوم الموجة وخصائصها ........................... 4

3. الموجات الكهرومغناطيسية ………………………………………………………………………… 5

4. الدليل التجريبي على الوجود
الموجات الكهرومغناطيسية …………………………………………………………………………………… 6

5. كثافة تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي ............... 7

6. اختراع الراديو ........................................... 9

7. خواص الموجات الكهرومغناطيسية ………………………………………………………………………………………………………… 10

8. التعديل والكشف …………………………………………………………………………………… 10

9. أنواع الموجات الراديوية وانتشارها ........................... 13

مقدمة

العمليات الموجية منتشرة على نطاق واسع في الطبيعة. هناك نوعان من الموجات في الطبيعة: ميكانيكية وكهرومغناطيسية. تنتشر الموجات الميكانيكية في المادة: غازية أو سائلة أو صلبة. لا تحتاج الموجات الكهرومغناطيسية إلى أي مادة لانتشارها، والتي تشمل على وجه الخصوص موجات الراديو والضوء. يمكن أن يوجد المجال الكهرومغناطيسي في الفراغ، أي في الفضاء الذي لا يحتوي على ذرات. على الرغم من الاختلاف الكبير بين الموجات الكهرومغناطيسية والموجات الميكانيكية، إلا أن الموجات الكهرومغناطيسية أثناء انتشارها تتصرف مثل الموجات الميكانيكية. ولكن مثل التذبذبات، يتم وصف جميع أنواع الموجات كميًا بنفس القوانين أو تقريبًا نفس القوانين. سأحاول في عملي النظر في أسباب الموجات الكهرومغناطيسية وخصائصها وتطبيقاتها في حياتنا.

مفهوم الموجة وخصائصها

موجةتسمى الاهتزازات التي تنتشر في الفضاء مع مرور الوقت.

أهم ما يميز الموجة هو سرعتها. لا تنتشر الموجات من أي نوع عبر الفضاء على الفور. سرعتهم محدودة.

عندما تنتشر موجة ميكانيكية، تنتقل الحركة من جزء من الجسم إلى جزء آخر. يرتبط نقل الحركة بنقل الطاقة. الخاصية الأساسية لجميع الموجات، بغض النظر عن طبيعتها، هي نقل الطاقة دون انتقال المادة. تأتي الطاقة من مصدر يثير اهتزازات في بداية الحبل أو الخيط وما إلى ذلك، وتنتشر مع الموجة. من خلال أي المقطع العرضيتتدفق الطاقة بشكل مستمر. تتكون هذه الطاقة من الطاقة الحركية لحركة أقسام الحبل والطاقة الكامنة لتشوهه المرن. يرتبط الانخفاض التدريجي في سعة التذبذبات أثناء انتشار الموجة بتحول جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة داخلية.

إذا تم جعل نهاية سلك مطاطي مشدود تتأرجح بشكل متناغم بتردد معين v، فإن هذه الاهتزازات ستبدأ في الانتشار على طول الحبل. تحدث تذبذبات أي قسم من الحبل بنفس التردد والسعة مثل تذبذبات نهاية الحبل. لكن هذه التذبذبات فقط هي التي يتم إزاحتها في الطور بالنسبة لبعضها البعض. تسمى هذه الموجات أحادية اللون .

إذا كان تحول الطور بين تذبذبات نقطتين من الحبل يساوي 2n، فإن هذه النقاط تتأرجح بنفس الطريقة تمامًا: بعد كل شيء، cos (2lvt + 2n) \u003d =cos2n فاتو . تسمى هذه التقلبات في مرحلة(تحدث في نفس المراحل).

المسافة بين النقاط الأقرب إلى بعضها البعض، والتي تتأرجح في نفس المراحل، تسمى الطول الموجي.

العلاقة بين الطول الموجي α والتردد v وسرعة انتشار الموجة c. خلال فترة واحدة من التذبذبات، تنتشر الموجة على مسافة lect. ولذلك، يتم تحديد سرعته من خلال الصيغة

منذ الفترة توالتردد v مرتبطان بـ T = 1 / v

سرعة الموجة تساوي حاصل ضرب الطول الموجي وتردد التذبذب.

موجات كهرومغناطيسية

وننتقل الآن إلى النظر في الموجات الكهرومغناطيسية مباشرة.

يمكن للقوانين الأساسية للطبيعة أن تعطي أكثر بكثير مما تحتويه الحقائق التي تم استخلاصها منها. أحد هذه القوانين هو قوانين الكهرومغناطيسية التي اكتشفها ماكسويل.

من بين العواقب التي لا تعد ولا تحصى والمثيرة للاهتمام والمهمة للغاية والتي تترتب على قوانين ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي، يستحق المرء انتباه خاص. وهذا هو الاستنتاج بأن التفاعل الكهرومغناطيسي ينتشر بسرعة محدودة.

ووفقا لنظرية الحركة قصيرة المدى، فإن تحريك الشحنة يغير المجال الكهربائي القريب منها. يولد هذا المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا في المناطق المجاورة من الفضاء. ويولد المجال المغناطيسي المتناوب بدوره مجالًا كهربائيًا متناوبًا، وما إلى ذلك.

وبالتالي فإن حركة الشحنة تؤدي إلى "انفجار" المجال الكهرومغناطيسي، الذي، أثناء انتشاره، يغطي جميع المساحات الكبيرة من الفضاء المحيط.

أثبت ماكسويل رياضيًا أن سرعة انتشار هذه العملية تساوي سرعة الضوء في الفراغ.

تخيل أن الشحنة الكهربائية لا تنتقل من نقطة إلى أخرى فحسب، بل تتقلب بسرعة على طول خط مستقيم. ثم سيبدأ المجال الكهربائي في المنطقة المجاورة مباشرة للشحنة في التغير بشكل دوري. من الواضح أن فترة هذه التغييرات ستكون مساوية لفترة تذبذبات الشحنة. سيولد المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا يتغير بشكل دوري، وهذا الأخير بدوره سيؤدي إلى ظهور مجال كهربائي متناوب بالفعل على مسافة أكبر من الشحنة، وما إلى ذلك.

في كل نقطة في الفضاء، تتغير المجالات الكهربائية والمغناطيسية بشكل دوري مع مرور الوقت. كلما كانت النقطة أبعد عن الشحنة، كلما وصلت تذبذبات مجالها في وقت لاحق. وبالتالي، على مسافات مختلفة من الشحنة، تحدث التذبذبات بمراحل مختلفة.

تكون اتجاهات المتجهات المتذبذبة لشدة المجال الكهربائي وتحريض المجال المغناطيسي متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة.

الموجة الكهرومغناطيسية عرضية.

تنبعث الموجات الكهرومغناطيسية من الشحنات المتذبذبة. ومن الضروري في هذه الحالة أن تتغير سرعة حركة هذه الشحنات مع الزمن، أي أنها تتحرك بتسارع. إن وجود التسارع هو الشرط الرئيسي لإشعاع الموجات الكهرومغناطيسية. ويشع المجال الكهرومغناطيسي بطريقة ملحوظة، ليس فقط عندما تتقلب الشحنة، ولكن أيضًا مع أي تغير سريع في سرعتها. كلما زادت شدة الموجة المنبعثة، زاد التسارع الذي تتحرك به الشحنة.

كان ماكسويل مقتنعًا بشدة بحقيقة الموجات الكهرومغناطيسية. لكنه لم يعش ليرى اكتشافهم التجريبي. وبعد 10 سنوات فقط من وفاته، تمكن هيرتز من الحصول على الموجات الكهرومغناطيسية تجريبيًا.

إثبات تجريبي للوجود

موجات كهرومغناطيسية

الموجات الكهرومغناطيسية غير مرئية، على عكس الموجات الميكانيكية، ولكن كيف تم اكتشافها؟ للإجابة على هذا السؤال، خذ بعين الاعتبار تجارب هيرتز.

تتشكل الموجة الكهرومغناطيسية بسبب الترابط بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتناوبة. تغيير حقل واحد يؤدي إلى ظهور آخر. كما تعلم، كلما تغير الحث المغناطيسي بشكل أسرع مع مرور الوقت، زادت قوة المجال الكهربائي الناشئ. وفي المقابل، كلما زادت سرعة تغير شدة المجال الكهربائي، زاد الحث المغناطيسي.

لتكوين موجات كهرومغناطيسية مكثفة، من الضروري إنشاء تذبذبات كهرومغناطيسية ذات تردد عالٍ بدرجة كافية.

يمكن الحصول على تذبذبات عالية التردد باستخدام دائرة تذبذبية. تردد التذبذب هو 1/ √ LC. من هنا يمكن ملاحظة أنه كلما زادت محاثة وسعة الدائرة، كلما كانت أصغر.

للحصول على الموجات الكهرومغناطيسية، استخدم ج. هيرتز جهازًا بسيطًا، يُسمى الآن هزاز هيرتز.

هذا الجهاز عبارة عن دائرة تذبذبية مفتوحة.

من الممكن التحول إلى دائرة مفتوحة من دائرة مغلقة إذا تم إبعاد ألواح المكثفات تدريجياً عن بعضها البعض، مما يقلل مساحتها وفي نفس الوقت يقلل عدد اللفات في الملف. في النهاية، سيكون مجرد سلك مستقيم. هذه هي الدائرة التذبذبية المفتوحة. السعة والتحريض لهزاز هيرتز صغيرة. ولذلك، فإن تردد التذبذب مرتفع جدا.

في الدائرة المفتوحة، لا تتركز الشحنات في الأطراف، بل يتم توزيعها في جميع أنحاء الموصل. الحالي في هذه اللحظةيتم توجيه الزمن في جميع أقسام الموصل في نفس الاتجاه، لكن شدة التيار ليست هي نفسها في أقسام الموصل المختلفة. في الأطراف يساوي الصفر، وفي الوسط يصل إلى الحد الأقصى (في دوائر التيار المتردد التقليدية، تكون قوة التيار في جميع الأقسام هي نفسها في وقت معين.) ويغطي المجال الكهرومغناطيسي أيضًا كامل المساحة القريبة من الدائرة. .

استقبل هيرتز الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق إثارة سلسلة من نبضات التيار المتناوب السريع في هزاز باستخدام مصدر عالي الجهد. تذبذبات الشحنات الكهربائية في الهزاز تخلق موجة كهرومغناطيسية. فقط التذبذبات في الهزاز لا يتم إجراؤها بواسطة جسيم مشحون واحد، ولكن بواسطة عدد كبير من الإلكترونات التي تتحرك بشكل متناغم. في الموجة الكهرومغناطيسية، يكون المتجهان E وB متعامدين مع بعضهما البعض. يقع المتجه E في مستوى يمر عبر الهزاز، ويكون المتجه B عموديًا على هذا المستوى. يحدث إشعاع الموجات بأقصى شدة في الاتجاه العمودي على محور الهزاز. لا يوجد إشعاع على طول المحور.

تم تسجيل الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة هيرتز باستخدام هزاز استقبال (رنان)، وهو نفس جهاز الهزاز المشع. تحت تأثير المجال الكهربائي المتناوب للموجة الكهرومغناطيسية، يتم إثارة التذبذبات الحالية في الهزاز المستقبل. إذا كان التردد الطبيعي للهزاز المستقبل يتزامن مع تردد الموجة الكهرومغناطيسية، يتم ملاحظة الرنين. تحدث التذبذبات في الرنان بسعة كبيرة عندما يكون موازيًا للهزاز المشع. اكتشف هيرتز هذه الاهتزازات من خلال ملاحظة وجود شرارات في فجوة صغيرة جدًا بين موصلات الهزاز المستقبل. لم يحصل هيرتز على الموجات الكهرومغناطيسية فحسب، بل اكتشف أيضًا أنها تتصرف مثل الأنواع الأخرى من الموجات.

الإشعاع الكهرومغناطيسي موجود تمامًا طوال حياة كوننا. وقد لعبت دورا رئيسيا في تطور الحياة على الأرض. في الواقع، هذا اضطراب في حالة المجال الكهرومغناطيسي المنتشر في الفضاء.

خصائص الإشعاع الكهرومغناطيسي

يتم وصف أي موجة كهرومغناطيسية باستخدام ثلاث خصائص.

1. التردد.

2. الاستقطاب.

الاستقطاب- إحدى سمات الموجة الرئيسية. يصف التباين العرضي للموجات الكهرومغناطيسية. يعتبر الإشعاع مستقطبًا عندما تحدث جميع تذبذبات الموجات في نفس المستوى.

يتم استخدام هذه الظاهرة بنشاط في الممارسة العملية. على سبيل المثال، في السينما عند عرض أفلام ثلاثية الأبعاد.

بمساعدة الاستقطاب، تقوم نظارات IMAX بفصل الصورة المخصصة للعيون المختلفة.

تكرارهو عدد قمم الموجات التي تمر أمام المراقب (في هذه القضية– الكاشف) في ثانية واحدة. تقاس بالهرتز.

الطول الموجي- مسافة محددة بين أقرب نقاط الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تحدث تذبذباتها في مرحلة واحدة.

يمكن أن ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في أي وسيلة تقريبًا: من المادة الكثيفة إلى الفراغ.

وتبلغ سرعة انتشاره في الفراغ 300 ألف كيلومتر في الثانية.

منظر مثير للاهتمامحول طبيعة وخصائص الموجات الكهرومغناطيسية، شاهد الفيديو أدناه:

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية

يتم تقسيم كل الإشعاع الكهرومغناطيسي على التردد.

1. موجات الراديو.هناك قصيرة، قصيرة جدا، طويلة جدا، طويلة، متوسطة.

يتراوح طول موجات الراديو من 10 كيلومتر إلى 1 ملم، ومن 30 كيلو هرتز إلى 300 جيجا هرتز.

يمكن أن تكون مصادرها أنشطة بشرية وظواهر جوية طبيعية مختلفة.

2. . يتراوح الطول الموجي بين 1 ملم و780 نانومتر، ويمكن أن يصل إلى 429 هرتز. يُطلق على الأشعة تحت الحمراء أيضًا اسم الإشعاع الحراري. أساس كل الحياة على كوكبنا.

3. الضوء المرئي.الطول 400 - 760/780 نانومتر. وبناء على ذلك، فإنه يتقلب بين 790-385 تيراهيرتز. وهذا يشمل كامل نطاق الإشعاع الذي يمكن رؤيته بالعين البشرية.

4. . الطول الموجي أقصر من الأشعة تحت الحمراء.

يمكن أن يصل إلى 10 نانومتر. هذه الموجات كبيرة جدًا - حوالي 3x10 ^ 16 هرتز.

5. الأشعة السينية. موجات 6×10^19 هرتز، وطولها حوالي 10 نانومتر – 5 مساءً.

6. موجات جاما.ويشمل ذلك أي إشعاع يكون أكبر من الأشعة السينية ويكون طوله أقل. مصدر هذه الموجات الكهرومغناطيسية هو العمليات النووية الكونية.

نطاق التطبيق

في وقت ما منذ نهاية القرن التاسع عشر، تم ربط كل التقدم البشري بالإنسان تطبيق عمليموجات كهرومغناطيسية.

أول شيء يستحق الذكر هو الاتصالات اللاسلكية. لقد أتاحت للناس التواصل، حتى لو كانوا بعيدين عن بعضهم البعض.

يعد البث عبر الأقمار الصناعية والاتصالات بمثابة تطور إضافي للاتصالات الراديوية البدائية.

هذه التقنيات هي التي شكلت صورة المعلومات مجتمع حديث.

ينبغي اعتبار مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي كبيرة منشأت صناعيةوخطوط الكهرباء المختلفة.

تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية بنشاط في الشؤون العسكرية (الرادار والأجهزة الكهربائية المعقدة). كما أن الطب لم يستغني عن استخدامها. يمكن استخدامه لعلاج العديد من الأمراض الأشعة تحت الحمراء.

تساعد الأشعة السينية في تحديد الأضرار التي لحقت بالأنسجة الداخلية للشخص.

بمساعدة الليزر، يتم تنفيذ عدد من العمليات التي تتطلب دقة المجوهرات.

من الصعب المبالغة في تقدير أهمية الإشعاع الكهرومغناطيسي في الحياة العملية للإنسان.

فيديو سوفيتي عن المجال الكهرومغناطيسي:

التأثير السلبي المحتمل على البشر

على الرغم من فائدتها، إلا أن المصادر القوية للإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تسبب الأعراض التالية:

تعب؛

صداع؛

غثيان.

التعرض المفرط لأنواع معينة من الموجات يسبب ضرراً للأعضاء الداخلية والمركزية الجهاز العصبي، مخ. التغييرات في النفس البشرية ممكنة.

فيديو مثير للاهتمام حول تأثير الموجات الكهرومغناطيسية على الشخص:

لتجنب مثل هذه العواقب، لدى جميع دول العالم تقريبًا معايير تحكم السلامة الكهرومغناطيسية. كل نوع من الإشعاع له وثائقه التنظيمية الخاصة (المعايير الصحية ومعايير السلامة من الإشعاع). إن تأثير الموجات الكهرومغناطيسية على البشر ليس مفهوما تماما، ولذلك توصي منظمة الصحة العالمية بالتقليل من تأثيرها.