Φυσική

Πρότυπο κυμάτων για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία


Περί το 1860 ο Maxwell ανέπτυξε τέσσερις εξισώσεις οι οποίες βασικά συνθέτουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων.


Maxwell

Οι εξισώσεις του Maxwell υποδηλώνουν ότι το ηλεκτρικό πεδίο και το μαγνητικό πεδίο διαδίδονται ταυτόχρονα. Έτσι, αυτό το σύνολο εξισώσεων μας επιτρέπει να κάνουμε κάποια συμπεράσματα, μεταξύ των οποίων:

  • ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταβαλλόμενο στο χρόνο προκαλεί την εμφάνιση ενός μαγνητικού πεδίου.
  • Ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί την εμφάνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου.

Επομένως, αν δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό πεδίο και ένα μαγνητικό πεδίο, και οι δύο μεταβλητές στο χρόνο, θα μπορέσουμε να υποστηρίξουμε την ύπαρξη του άλλου, έτσι ώστε η συνύπαρξη και η διάδοση να είναι απολύτως δυνατές. Κατά τη διάδοση, αυτά τα δύο πεδία αποτελούν το ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαόπως ραδιοκύματα, ορατό φως, μικροκύματα, ακτίνες Χ, κλπ.

Εξαιτίας της κυματοειδούς συμπεριφοράς τους, καλείται επίσης ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαηλεκτρομαγνητικά κύματα (OEM). Ο Heinrich Hertz απέδειξε πειραματικά το 1887 την ύπαρξη ΚΑΕ δημιουργώντας και εντοπίζοντας ραδιοκύματα στο εργαστήριό του.


Heinrich Hertz

Σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό, οι ΚΑΕ παράγονται με ταχέως κινούμενα ηλεκτρικά φορτία. Ένα παράδειγμα της εφαρμογής αυτής της αρχής είναι οι κεραίες ραδιοφωνικής μετάδοσης, οι οποίες παράγουν τα κύματά τους από τα ταλαντευόμενα ηλεκτρόνια. Όταν πραγματοποιείτε κίνηση συχνότηταςστ, ένα ηλεκτρόνιο (ή ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο) εκπέμπει έναν ΟΕΜ του οποίου η συχνότητα είναι επίσηςστ.

Στο παρακάτω σχήμα, μπορούμε να δούμε μια απλοποιημένη αναπαράσταση του τρόπου διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού παλμού - ενός επίπεδου ΚΑΕ.

Εκτός από τη χρονική μεταβολή, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία είναι κάθετα μεταξύ τους και προς την κατεύθυνση της διάδοσης.

Ένας ΟΕΜ δεν χρειάζεται να διαδώσει υλικό υλικό (π.χ. μηχανικά κύματα). Επομένως, υπάρχει πιθανότητα να διαδοθεί σε κενό. Η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε κενό υπολογίστηκε από τον Maxwell, ακόμη και πριν γνώριζε ότι το φως ήταν ΚΑΕ. Η μαθηματική έκφραση που μας δίνει την αξία αυτής της ταχύτητας,γ, δίνεται από:

Πού:

ε0= 8,85χ10-12 F / m (ηλεκτρική διαπερατότητα υπό κενό).

μ0= 4πχ10-7 Tm / A (διαπερατότητα μαγνητικού κενού).

c = 2.99792χ108 m / s (ταχύτητα φωτός).

Τα παραπάνω αποτελέσματα ισχύουν τόσο για το κενό όσο και για τον αέρα και συμπίπτουν με την πειραματικά ληφθείσα ταχύτητα φωτός στον αέρα. Με βάση αυτό, ο Maxwell κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το ορατό φως ήταν επίσης ένας ΟΕΜ.

Είναι σημαντικό ότι οι ΚΑΕ δεν αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που περνούν. Με τον τρόπο αυτό, το φως δεν αποκλίνει όταν διέρχεται κοντά σε ηλεκτροφόρο σώμα ή μαγνητικό πόλο.