Що таке електромагнітні хвилі?
Електромагнітні хвилі, якщо вірити фізиці, є одними з найбільш загадкових. У них енергія фактично зникає в нікуди, з'являється незрозуміло звідки. Більше жодного такого подібного об'єкта немає у всій науці. Як же відбуваються всі ці чудові взаємоперетворення?
Електродинаміка Максвелла
А почалося все з того, що вчений Максвелл в далекому 1865 році, спираючись на роботи Фарадея, вивів рівняння електромагнітного поля. Сам Максвелл вважав, що його рівняння описували кручення і натяг хвиль в ефірі. Через двадцять три роки Герц експериментально створив такі збурення в середовищі, причому вдалося не тільки погодити їх з рівняннями електродинаміки, але й отримати закони, що керують поширенням цих збурень. Виникла цікава тенденція оголошувати будь-які збурення, які мають електромагнітний характер, хвилями Герца. Однак ці випромінювання - не єдиний спосіб здійснення передачі енергії.
Бездротовий зв'язок
На сьогоднішній день до можливих варіантів здійснення подібної бездротового зв'язку відносять:
- електростатичну зв'язок, яку також називається ємнісний;
- індукційну;
- струмовий;
- зв'язок Тесли, тобто зв'язок хвиль електронної щільності по проводять поверхонь;
- найширший спектр найбільш поширених носіїв, які називаються електромагнітні хвилі - від наднизьких частот до гамма-випромінювання.
Варто розглянути ці види зв'язку більш докладно.
Електростатична зв'язок
Два диполя є пов'язаними електричними силами в просторі, що є наслідком закону Кулона. Від електромагнітних хвиль даний тип зв'язку відрізняється можливістю зв'язати диполі при розташуванні їх на одній лінії. Зі збільшенням відстаней сила зв'язку затухає, а також спостерігається сильний вплив різних перешкод.
Індукційна зв'язок
Заснована на магнітних полях розсіювання індуктивності. Спостерігається між об'єктами, які мають індуктивність. Застосування її досить обмежена через близкодействия.
Струмовий зв'язок
Завдяки струмів розтікання в провідному середовищі може виникнути певна взаємодія. Якщо через термінали (пара контактів) пропустити струми, то ці самі струми можна виявити на значній відстані від контактів. Саме це і називається ефектом розтікання струмів.
Зв'язок Тесли
Знаменитий фізик Нікола Тесла винайшов зв'язок за допомогою хвиль на провідній поверхні. Якщо в якомусь місці площині порушити щільність носія заряду, то ці носії почнуть рух, який буде прагне до відновлення рівноваги. Так як носії володіють інерційної природою, то відновлення носить хвильовий характер.
Електромагнітна зв'язок
Випромінювання електромагнітних хвиль відрізняється величезним дальнодействием, так як їх амплітуда обернено пропорційна відстані до джерела. Саме цей спосіб бездротового зв'язку набув найбільшого поширення. Але що таке електромагнітні хвилі? Для початку необхідно здійснити невеликий екскурс в історію їх відкриття.
Як «з'явилися» електромагнітні хвилі?
Почалося все в 1829 році, коли американський фізик Генрі виявив обурення електричних розрядів в експериментах з Лейденського банками. У 1832 році фізиком Фарадеем було висунуто припущення про існування такого процесу, як електромагнітні хвилі. Максвелл в 1865 році створив свої знамениті рівняння електромагнетизму. В кінці дев'ятнадцятого століття було багато успішних спроб створення бездротового зв'язку за допомогою електростатичного та електромагнітної індукції. Знаменитий винахідник Едісон придумав систему, яка дозволяла пасажирам залізниці відправляти і отримувати телеграми прямо під час руху поїзда. У 1888 році Г. Герц однозначно довів те, що електромагнітні хвилі з'являються за допомогою пристрою, названого вібратором. Герц здійснив досвід з передачі електромагнітного сигналу на відстань. У 1890 році інженер і фізик Бранлі з Франції винайшов пристрій для реєстрації електромагнітних випромінювань. Згодом цей прилад був названий "радіокондуктор" (когерер). У 1891-1893 роках Нікола Тесла описав основні принципи здійснення передачі сигналів на великі відстані і запатентував щоглових антену, яка була джерелом електромагнітних хвиль. Подальші заслуги у вивченні хвиль і технічної реалізації їх отримання та застосування належать таким знаменитим фізикам і винахідникам, як Попов, Марконі, де Мор, Лодж, Мірхед і багатьом іншим.
Поняття «електромагнітна хвиля»
Електромагнітна хвиля - це явище, яке поширюється в просторі з певною кінцевою швидкістю і являє собою змінне електричне і магнітне поле. Так як магнітні та електричні поля нерозривно пов'язані один з одним, то вони утворюють електромагнітне поле. Також можна сказати, що електромагнітна хвиля - це обурення поля, причому під час свого поширення енергія, яка є у магнітного поля, переходить в енергію поля електричного і назад, відповідно до електродинаміки Максвелла. Зовні це схоже на поширення будь-якої іншої хвилі в будь-який інший середовищі, проте є й істотні відмінності.
Відмінність електромагнітних хвиль від інших?
Енергія електромагнітних хвиль поширюється в досить незрозумілою середовищі. Щоб порівнювати ці хвилі і будь-які інші, необхідно зрозуміти, про яку середовищі поширення йдеться. Передбачається, що внутрішньоатомний простір заповнює електричний ефір - специфічне середовище, яка є абсолютним діелектриком. Всі хвилі під час поширення проявляють перехід кінетичної енергії в потенційну і назад. При цьому у цих енергій зрушені максимум в часі і просторі відносно один одного на одну четверту повного періоду хвилі. Середня енергія хвилі при цьому, будучи сумою потенційної і кінетичної енергії, є постійною величиною. Але з електромагнітними хвилями справа йде інакше. Енергії і магнітного й електричного поля досягають максимальних значень одночасно.
Як виникає електромагнітна хвиля?
Матерія електромагнітної хвилі - це електричне поле (ефір). Рухоме поле є структурованим і складається з енергії його руху та електричної енергії самого поля. Тому потенційна енергія хвилі пов'язана з кінетичної і синфазно. Природа електромагнітної хвилі являє собою періодичне електричне поле, яке знаходиться в стані поступального руху в просторі і рухається зі швидкістю світла.
Струми зміщення
Є й інший спосіб пояснити, що собою являють електромагнітні хвилі. Передбачається, що в ефірі виникають струми зміщення при русі неоднорідних електричних полів. Виникають вони, природно, тільки для нерухомого стороннього спостерігача. У момент, коли такий параметр як напруженість електричного поля досягає свого максимуму, струм зміщення в даній точці простору припиниться. Відповідно, при мінімумі напруженості виходить зворотна картина. Цей підхід прояснює хвильову природу електромагнітного випромінювання, так як енергія поля електричного виявляється зрушеною на одну четверту періоду по відношенню до струмів зміщення. Тоді можна сказати, що електричне обурення, а точніше енергія обурення, трансформується в енергію струму зміщення і назад і поширюється хвильовим чином в діелектричній середовищі.
