คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า การแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในปี 1864 James Clerk Maxwell ได้ทำนายความเป็นไปได้ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศ เขาอ้างสิทธิ์นี้บนพื้นฐานของข้อสรุปที่ได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองทั้งหมดที่ทราบในเวลานั้นเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก

แมกซ์เวลล์ได้รวมกฎของอิเล็กโทรไดนามิกส์เข้าด้วยกันทางคณิตศาสตร์ การเชื่อมต่อปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก และด้วยเหตุนี้จึงได้ข้อสรุปว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งเปลี่ยนแปลงตามเวลาสร้างซึ่งกันและกัน

ในขั้นต้นเขาเน้นความจริงที่ว่าความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์แม่เหล็กและไฟฟ้าไม่สมมาตรและแนะนำคำว่า "สนามไฟฟ้าวน" ซึ่งเป็นคำอธิบายใหม่อย่างแท้จริงเกี่ยวกับปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่ค้นพบโดยฟาราเดย์: "ทุกการเปลี่ยนแปลงในแม่เหล็ก สนามนำไปสู่การปรากฏในพื้นที่โดยรอบของสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนที่มีเส้นแรงปิด”

จากข้อมูลของ Maxwell ข้อความตรงกันข้ามที่ว่า "สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในอวกาศโดยรอบ" ก็เป็นจริงเช่นกัน แต่ข้อความนี้ในขั้นต้นยังคงเป็นเพียงสมมติฐานเท่านั้น

Maxwell เขียนระบบสมการทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายกฎของการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ สมการเหล่านี้กลายเป็นสมการพื้นฐานของไฟฟ้าพลศาสตร์และเริ่มถูกเรียกว่า "สมการของ Maxwell" เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ ผู้เขียน พวกเขาลง สมมติฐานของแมกซ์เวลล์ซึ่งอิงจากสมการที่เขียนขึ้น มีข้อสรุปหลายประการที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ซึ่งแสดงไว้ด้านล่างนี้

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีอยู่

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวางสามารถมีอยู่ในอวกาศที่แพร่กระจายไปตามกาลเวลา สนามแม่เหล็กไฟฟ้า… ข้อเท็จจริงที่ว่าคลื่นอยู่ในแนวขวางแสดงโดยข้อเท็จจริงที่ว่าเวกเตอร์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B และความแรงของสนามไฟฟ้า E นั้นตั้งฉากร่วมกัน และทั้งคู่อยู่ในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วจำกัด

ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสารหนึ่งๆ นั้นมีค่าจำกัดและถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของสารที่คลื่นแพร่กระจายผ่าน ความยาวของคลื่นไซน์ λ ในกรณีนี้เกี่ยวข้องกับความเร็ว υ ด้วยอัตราส่วนที่แน่นอน λ = υ / f และขึ้นอยู่กับความถี่ f ของการสั่นของสนาม ความเร็ว c ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศเป็นหนึ่งในค่าคงที่พื้นฐานทางกายภาพ ซึ่งก็คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ

เนื่องจากแมกซ์เวลล์ระบุว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีจำกัด สิ่งนี้จึงสร้างความขัดแย้งระหว่างสมมติฐานของเขากับทฤษฎีของการกระทำในระยะทางไกลที่ยอมรับในขณะนั้น ซึ่งความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นควรจะเป็นอนันต์ ดังนั้นทฤษฎีของ Maxwell จึงถูกเรียกว่าทฤษฎีของการกระทำระยะสั้น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แปลงซึ่งกันและกัน

ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นพร้อมกันดังนั้นความหนาแน่นเชิงปริมาตรของพลังงานแม่เหล็กและพลังงานไฟฟ้าจึงเท่ากันดังนั้นจึงเป็นเรื่องจริงที่โมดูลัสของ ความแรงของสนามไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กสัมพันธ์กัน ณ จุดใดๆ ในอวกาศผ่านการเชื่อมต่อต่อไปนี้:

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านำพาพลังงาน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในกระบวนการแพร่กระจายจะสร้างการไหลของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า และถ้าเราคำนึงถึงพื้นที่ในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนหนึ่งจะเคลื่อนที่ผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใน ระยะเวลาอันสั้น. ความหนาแน่นฟลักซ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าคือปริมาณของพลังงานที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา โดยการแทนที่ค่าของความเร็วเช่นเดียวกับพลังงานแม่เหล็กและพลังงานไฟฟ้า เป็นไปได้ที่จะได้รับนิพจน์สำหรับความหนาแน่นของฟลักซ์ในแง่ของปริมาณ E และ B

Poynting vector — เวกเตอร์ของการไหลของพลังงานของคลื่น

เนื่องจากทิศทางของการแพร่กระจายของพลังงานคลื่นเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่น การไหลของพลังงานที่แพร่กระจายในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงสามารถตั้งค่าได้โดยใช้เวกเตอร์ที่กำกับในลักษณะเดียวกับความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่น เวกเตอร์นี้เรียกว่า «Poynting vector» — เพื่อเป็นเกียรติแก่ Henry Poynting นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ซึ่งในปี 1884 ได้พัฒนาทฤษฎีการแพร่กระจายของการไหลของพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ความหนาแน่นฟลักซ์ของพลังงานคลื่นวัดเป็น W/m2

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากดทับวัตถุที่สะท้อนหรือดูดซับไว้

เมื่อสนามไฟฟ้ากระทำกับสสาร กระแสเล็กๆ จะปรากฏขึ้น ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า กระแสเหล่านี้ในสนามแม่เหล็กของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับการกระทำของแรงแอมแปร์ซึ่งส่งลึกเข้าไปในสาร เป็นผลให้แรงของแอมแปร์สร้างแรงดัน

ปรากฏการณ์นี้ต่อมาในปี พ.ศ. 2443 ได้รับการตรวจสอบและยืนยันเชิงประจักษ์โดย Pyotr Nikolayevich Lebedev นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย ซึ่งงานทดลองมีความสำคัญมากในการยืนยันทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell ตลอดจนการยอมรับและการอนุมัติในอนาคต

ความจริงที่ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกแรงกดทำให้สามารถประเมินการมีอยู่ของแรงกระตุ้นเชิงกลในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถแสดงต่อหน่วยปริมาตรโดยความหนาแน่นเชิงปริมาตรของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นในสุญญากาศ:

เนื่องจากโมเมนตัมเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของมวล จึงเป็นไปได้ที่จะแนะนำแนวคิดเช่นมวลแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นสำหรับหน่วยปริมาตร อัตราส่วนนี้ (ตาม STR) จะถือเป็นลักษณะของกฎสากลของธรรมชาติและจะใช้ได้ สำหรับเนื้อวัสดุใดๆ โดยไม่คำนึงถึงรูปแบบของสสาร จากนั้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะคล้ายกับตัววัสดุ — มันมีพลังงาน W, มวล m, โมเมนตัม p และความเร็วปลาย v นั่นคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในรูปแบบของสสารที่มีอยู่จริงในธรรมชาติ

การยืนยันทฤษฎีของ Maxwell ขั้นสุดท้าย

เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2431 ไฮน์ริช เฮิรตซ์ได้ทำการทดลองยืนยันทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ เขาได้พิสูจน์ความเป็นจริงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในเชิงประจักษ์และศึกษาคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น การหักเหและการดูดกลืนในตัวกลางต่างๆ รวมถึงการสะท้อนของคลื่นจากพื้นผิวโลหะ

เฮิรตซ์วัดความยาวคลื่น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและแสดงให้เห็นว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่ากับความเร็วของแสง งานทดลองของเฮิร์ตซ์เป็นขั้นตอนสุดท้ายสู่การยอมรับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ เจ็ดปีต่อมา ในปี 1895 Alexander Stepanovich Popov นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างการสื่อสารไร้สาย

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกกระตุ้นด้วยประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งเท่านั้น

ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงประจุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่และในกรณีนี้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่ถูกปล่อยออกมาในอวกาศเพื่อให้มีการแผ่รังสีจำเป็นต้องใช้เสาอากาศที่มีกระแสสลับซึ่งก็คือกระแส ที่เปลี่ยนทิศทางอย่างรวดเร็วคงจะตื่นเต้น

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด ไดโพลไฟฟ้าขนาดเล็กเหมาะสำหรับการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งโมเมนต์ไดโพลจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามเวลา ปัจจุบันไดโพลดังกล่าวเรียกว่า "เฮิร์ตเซียนไดโพล" ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาหลายเท่า

เมื่อปล่อยออกมาจากไดโพลแบบเฮิร์ตเซียน ฟลักซ์สูงสุดของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจะตกลงบนระนาบที่ตั้งฉากกับแกนของไดโพล ไม่มีการแผ่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าตามแนวแกนของไดโพล ในการทดลองที่สำคัญที่สุดของเฮิรตซ์ ไดโพลพื้นฐานถูกใช้ทั้งปล่อยและรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อพิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า