Электромагнитные волны (излучение)

Электромагнитные волны это распространение электромагнитного поля, так как электрическое поле колеблется эти колебания распространяются от источника так образуется электромагнитная волна, к примеру телерадиовещание через передающую антенну или Wi-Fi, к электромагнитным волнам также относиться даже свет.

Волны образованные электрическими зарядами, которые могут распространяться наиболее большие расстояния относят к излучениям.

Что такое электромагнитные волны

При электромагнитной индукции изменение магнитного поля вызывает появление в проводящем контуре электродвижущей силы, под которой подразумевается действие вдоль контура электрического поля. При индукции вихревых токов первичным было также наведение в массе проводника электрических полей, которые вызывали вихревые токи.

Это позволяет установить, что сущность электромагнитной индукции заключается в том, что изменение магнитного поля в любых условиях вызывает появление электрического поля. В1865 г (параллельно работал по этому вопросу Тесла). Максвелл составил уравнения, описывающие электромагнитную индукцию. При этом он установил, что должно существовать также и обратное явление, т. е. изменение электрического поля должно вызывать появление магнитного поля. Это можно сформулировать следующим образом:

1. Изменение напряженности Н магнитного поля в какой-либо точке пространства вызывает появление в смежных точках электрического поля, также изменяющегося по напряженности, силовые линии которого Е охватывают линии магнитного поля и расположены им перпендикулярно (рис. 2, а).
2. Изменение напряженности Е электрического поля в какой-либо точке пространства вызывает появление в смежных точках магнитного поля, также изменяющегося по напряженности, силовые линии которого Н охватывают линии электрического поля и расположены им перпендикуляр но (рис. 2, б).
3. Напряженность индуктируемых полей тем выше, чем быстрее изменяется поле, вызывающее индукцию.

Заметим, что в данном случае (рис. 2, а) линии напряженности электрического поля являются замкнутыми и не связаны непосредственно с зарядами. Направление их может быть определено по правилу буравчика, применяемому в соответствии с правилом Ленца: при увеличении напряженности магнитного поля буравчик должен завинчиваться против направления линий этого поля (рис. 2, а), а при уменьшении — согласно их направлению. Во втором случае при увеличении напряженности электрического поля буравчик должен завинчиваться по направлению линий этого поля (рис. 2, б), при уменьшении — против их направления.

Электромагнитное поле

Совокупность связанных между собой электрического и магнитного полей, напряженности которых периодически изменяются по величине и направлению, называется электромагнитным полем. Электромагнитное поле представляет особый вид материи и по свойствам отличается как от электростатического, так и постоянного магнитного полей.

Источником электромагнитного поля является генератор колебаний, выполненный в форме открытого вибратора. Вблизи от источника (так называемая ближайшая зона) электромагнитное поле называется полем индукции. 

Электрическая и магнитная составляющие поля индукции имеют разность фаз 90° и в пространстве связаны с емкостными и индуктивными элементами источника колебаний. При соответствующих условиях электрическая и магнитная составляющие этого поля могут быть пользованы в какой-то мере независимо, что имеет место, например, при индуктотермии и терапии электрическим полем УВЧ.

Образование электромагнитной волны

На определенном, зависящем от частоты колебаний расстоянии от источника поле индукции переходит в поле излучения. Поле излучения представляет собой единство электрической и магнитной составляющих поля, которые одновременно, т. е. без разности фаз, изменяются по напряженности и знаку и которые уже не связаны непосредственно с элементами генератора колебаний. Поле излучения путем взаимной индукции электрической и магнитной составляющих распространяется от источника по всем направлениям со скоростью света, образуя электромагнитную волну.

Электромагнитное поле схематически изображается системой электрических и магнитных силовых линий, построенных для определенного момента времени. Силовые линии поля индукции расположены, как показано на рис. 363, г. Поле изучения может быть также изображено системой электрических и магнитных силовых линий. Электрические линии поля излучения Е представляют собой замкнутые контуры, которые имеют форму, показанную на рис., и лежат в меридианных плоскостях, проходящих через ось излучателя (на рис. изображены только линии, лежащие в плоскости рисунка).

Магнитные линии Н имеют форму контуров, которые сцепляются с электрическими линиями, и лежат в плоскостях, перпендикулярных оси излучателя (на рис. изображены только магнитные линии напряженности, лежащие в одной из плоскостей, перпендикулярных к плоскости рисунка).

Формула электромагнитной волны

Электромагнитная волна описывается уравнениями, определяющими мгновенные значения напряженностей электрической Е и магнитной Н составляющих поля волны для любого момента времени t и для точки, находящейся на любом расстоянии х от излучателя. Для точечного излучателя, излучающего равномерно во всех направлениях простую (гармоническую) волну:

E_i = E_msin2πv(t — (x/c)) и H_i = H_m sin2πv(t — (x/c))

где E_m и H_m — есть максимальные (амплитудные) значения напряженностей поля, v — частота колебаний и с — скорость распространения волны в данной среде (для вакуума с =3•10⁸ м/сек, в других средах она меньше и зависит от магнитных и диэлектрических свойств среды).

Электромагнитные волны несут энергию, мгновенные значения которой являются переменной величиной. Средняя за период плотность потока энергии электромагнитной волны U, т. е. энергия, проходящая за 1 сек через 1 см² поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны в вакууме (или практически в воздухе), прямо пропорциональна скорости с распространения волны и произведению амплитуд напряженности электрического Е_т и магнитного Н_т полей U = (c/8π)Е_т Н_т и представляет собой вектор, по направлению совпадающий со скоростью распространения волны и называемый вектором Пойнтинга.

Электромагнитная волна может быть изображена с помощью графиков колебания мгновенных значений векторов напряженности электрической E_t=i и магнитной H_i составляющих поля волны, построенных совместно в направлении распространения волны. Эти графики лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и дают картину распределения в пространстве напряженностей электрического и магнитного полей для какого-то определенного момента времени. На рис. 3 построен график гармонической электромагнитной волны. С течением времени изображенные на графике кривые движутся в направлении Ох со скоростью с. Из графика видно, что электромагнитная волна является поперечной волной.

Длина электромагнитной волны

Длина электромагнитной волны λ связана с частотой колебаний и скоростью распространения с известной формулой:

λ = c/v

где λ выражена в м, v — в гц, с = 3•10⁸ м/сек.

В соответствии с частотой колебаний электромагнитные волны делятся на ряд диапазонов. В данном разделе нас интересуют преимущественно диапазон радиоволн, подразделение которых указано в таблице. За радиоволнами следуют уже инфракрасные волны оптического излучения.

Одинаковая скорость распространения света и электромагнитных волн дала основание Максвеллу высказать предположение об общей природе этих явлений, т. е. об электромагнитной природе света. В дальнейшем было установлено, что основные законы, которым подчиняется свет (законы отражения, преломления, интерференции и т. п.), приложимы и к электромагнитным волнам.

Частота	Длина волны	Название волны
30—300 кгц 0,3—3,0 Мгц 3—30 Мгц	10000—1000 м 1000—100 м 100—10 м	Длинные (ДВ) Средние (СВ)  Короткие (KB)
30—300 Мгц 300—3000 Мгц 3—30 Ггц	10—1 м 10—1 дм 10—1 см	Ультракороткие (УКВ)	Метровые Дециметровые Сантиметровые
30—30 Ггц	10—1 мм	Миллиметровые
300—3000 Ггц	1—0,1 мм	Переходные

Основное подтверждение гипотеза Максвелла получила в опытах Герца и особенно П. Н. Лебедева, который в 1895 г. с помощью электромагнитного вибратора получил волны длиной в 6 мм. С этими волнами он осуществил все оптические явления: интерференцию, поляризацию и даже двойное преломление в кристаллах серы.

Согласно электромагнитной теории свет представляет собой электромагнитные волны очень малой длины, излучаемые атомами или молекулами. Движущиеся электроны в атомах можно рассматривать как элементарные круговые токи, образующие элементарные магнитные поля. Напряженность этих полей в пространстве в связи с движением электронов периодически изменяется, что по закону индукции должно вызывать появление изменяющегося по напряженности электрического поля и в конечном итоге электромагнитную волну. Волны отдельных атомов и молекул складываются между собой и образуют общую световую волну, излучаемую данным телом.

Излучение и прием электромагнитных волн

Взаимная индукция электрического и магнитного полей происходит тем интенсивнее, чем выше частота колебаний напряженностей этих полей. Поэтому образование электромагнитных волн имеет практическое значение только в области высоких и особенно ультра- и сверхвысоких частот колебаний. Для повышения частоты электрических колебаний необходимо уменьшить емкость и индуктивность колебательного контура (рис.4, а). 

Это может быть достигнуто уменьшением числа витков катушки, а также уменьшением площади пластин конденсатора и увеличением расстояния между ними (рис. 4, б и в). В результате колебательный контур превращается в прямой проводник (рис. 4, г) с распределенными вдоль него индуктивностью и емкостью, который и называется открытым вибратором. Электрическое и магнитное поля вибратора расположены в пространстве, его окружающем. Это облегчает образование электромагнитной волны.

Колебательный процесс в открытом вибраторе происходит аналогично процессу в колебательном контуре. Для того чтобы возбудить колебательный процесс, надо сообщить концам вибратора разноименные заряды, вдоль вибратора образуется электрическое поле. Заряды, двигаясь навстречу вдоль вибратора, образуют ток I , который через одну четверть периода достигает максимальной величины. Вокруг вибратора образуется магнитное поле, напряжение между концами вибратора U снижается до нуля.

Ток, поддерживаемый э. д. с. самоиндукции, наводимой вдоль вибратора при изменении тока, вызывает вновь перераспределение зарядов на концах вибратора. Заряды достигают максимума через половину периода, но имеют знак, обратный исходному. Ток I при этом снижается до нуля (U — максимально). В следующей половине периода процесс повторяется, но ток имеет обратное направление.

Для поддержания колебаний в вибраторе к нему (в разрыв между двумя его половинами) присоединяется генератор электрических колебаний соответствующей частоты, что показано условно на рис. 4, г.

Устройство для приема электромагнитных волн называется резонатором и состоит из прямого проводника, расположенного в направлении электрической составляющей поля волны, или из витка, расположенного перпендикулярно плоскости магнитной составляющей поля волны, которые соединяются с приемным колебательным контуром, настроенным на соответствующую частоту.

В первом случае электрическая составляющая поля волны действует по отношению к резонатору непосредственно как электродвижущая сила и возбуждает в нем электрические колебания. Если резонатор имеет форму витка, то магнитная составляющая поля волны индуктирует в нем электродвижущую силу, которая и возбуждает колебания. Излучающая или принимающая часть резонатора называется антенной.

Статья на тему Электромагнитные волны