Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique et comment se forme-t-elle ? Comment les ondes électromagnétiques sont-elles « apparues » ? Rayonnement électromagnétique et ses types

M. Faraday a introduit la notion de champ :

un champ électrostatique apparaît autour d'une charge stationnaire,

Un champ magnétique apparaît autour des charges en mouvement (courant).

En 1830, M. Faraday découvre le phénomène d'induction électromagnétique : lors du changement champ magnétique un vortex se produit champ électrique.

Figure 2.7 - Champ électrique vortex

Où,
- vecteur d'intensité du champ électrique,
- vecteur d'induction magnétique.

Un champ magnétique alternatif crée un champ électrique vortex.

En 1862, D.K. Maxwell a émis une hypothèse : lorsque le champ électrique change, un champ magnétique vortex apparaît.

L'idée d'un champ électromagnétique unique est née.

Figure 2.8 - Champ électromagnétique unifié.

Un champ électrique alternatif crée un champ magnétique vortex.

Champ électromagnétique- c'est une forme particulière de matière - une combinaison de champs électriques et magnétiques. Des champs électriques et magnétiques alternatifs existent simultanément et forment un seul champ électromagnétique. C'est matériel :

Se manifeste en action sur des charges fixes et mobiles ;

Se propage à une vitesse élevée mais limitée ;

Il existe quels que soient notre volonté et nos désirs.

Lorsque la vitesse de charge est nulle, il n’y a qu’un champ électrique. A vitesse de charge constante, un champ électromagnétique apparaît.

Avec le mouvement accéléré d'une charge, une onde électromagnétique est émise et se propage dans l'espace à une vitesse finie. .

Le développement de l'idée des ondes électromagnétiques appartient à Maxwell, mais Faraday avait déjà deviné leur existence, même s'il avait peur de publier l'ouvrage (il a été lu plus de 100 ans après sa mort).

La principale condition d'apparition d'une onde électromagnétique est le mouvement accéléré des charges électriques.

Ce qu’est une onde électromagnétique peut être facilement illustré à l’aide de l’exemple suivant. Si vous jetez un caillou à la surface de l’eau, des vagues se formeront à la surface et s’étaleront en cercles. Ils se déplacent depuis la source de leur origine (perturbation) avec une certaine vitesse de propagation. Pour les ondes électromagnétiques, les perturbations sont des champs électriques et magnétiques se déplaçant dans l'espace. Un champ électromagnétique qui évolue dans le temps provoque nécessairement l'apparition d'un champ magnétique alternatif, et vice versa. Ces domaines sont interdépendants.

La principale source du spectre des ondes électromagnétiques est l’étoile Soleil. Une partie du spectre des ondes électromagnétiques est visible à l’œil humain. Ce spectre se situe dans la plage de 380 à 780 nm (Fig. 2.1). Dans le spectre visible, l’œil perçoit la lumière différemment. Les vibrations électromagnétiques de différentes longueurs d'onde provoquent la sensation de lumière de différentes couleurs.

Figure 2.9 - Spectre des ondes électromagnétiques

Une partie du spectre des ondes électromagnétiques est utilisée à des fins de radiotélévision et de communication. La source des ondes électromagnétiques est un fil (antenne) dans lequel oscillent des charges électriques. Le processus de formation du champ, qui a commencé à proximité du fil, couvre progressivement, point par point, tout l'espace. Plus la fréquence est élevée courant alternatif, traversant un fil et générant un champ électrique ou magnétique, plus les ondes radio d'une longueur donnée créées par le fil sont intenses.

Radio(lat. radio - rayonner, émettre des rayons ← rayon - rayon) - un type de communication sans fil dans lequel les ondes radio, se propageant librement dans l'espace, sont utilisées comme support de signal.

Les ondes radio(de la radio...), des ondes électromagnétiques de longueur d'onde > 500 µm (fréquence< 6×10 12 Гц).

Les ondes radio sont des champs électriques et magnétiques qui varient dans le temps. La vitesse de propagation des ondes radio dans l'espace libre est de 300 000 km/s. À partir de là, la longueur d’onde radio (m) peut être déterminée.

λ = 300/f, où - fréquence (MHz)

Les vibrations sonores dans l’air créées lors d’une conversation téléphonique sont converties par un microphone en vibrations électriques de fréquence sonore, qui sont transmises par fil à l’équipement de l’abonné. Là, à l'autre bout du fil, elles sont transformées, grâce à l'émetteur téléphonique, en vibrations aériennes, perçues par l'abonné comme des sons. En téléphonie, les moyens de communication du circuit sont les fils, en radiodiffusion - les ondes radio.

Le "cœur" de l'émetteur de toute station de radio est un générateur - un appareil qui produit des oscillations d'une fréquence élevée mais strictement constante pour une station de radio donnée. Ces oscillations radiofréquence, amplifiées à la puissance requise, pénètrent dans l'antenne et excitent des oscillations électromagnétiques exactement de même fréquence - les ondes radio - dans l'espace qui l'entoure. La vitesse des ondes radio qui s'éloignent de l'antenne d'une station radio est égale à la vitesse de la lumière : 300 000 km/s, soit près d'un million de fois plus rapide que la propagation du son dans l'air. Cela signifie que si l'émetteur était allumé à un certain moment à la station de radiodiffusion de Moscou, ses ondes radio atteindraient Vladivostok en moins de 1/30 s et le son pendant ce temps n'aurait le temps de se propager que 10- 11 m.

Les ondes radio se propagent non seulement dans l’air, mais aussi là où il n’y a pas d’air, par exemple dans l’espace. C'est en cela qu'ils diffèrent de les ondes sonores, pour lequel l'air ou un autre milieu dense, tel que l'eau, est absolument nécessaire.

Onde électromagnétique – champ électromagnétique se propageant dans l’espace (oscillations de vecteurs
). A proximité de la charge, les champs électriques et magnétiques changent avec un déphasage p/2.

Figure 2.10 - Champ électromagnétique unifié.

A grande distance de la charge, les champs électriques et magnétiques changent de phase.

Figure 2.11 - Changement de phase des champs électriques et magnétiques.

L'onde électromagnétique est transversale. La direction de la vitesse de l'onde électromagnétique coïncide avec la direction du mouvement de la vis droite lors de la rotation de la poignée de la vrille vectorielle vecteur .

Figure 2.12 - Onde électromagnétique.

De plus, dans une onde électromagnétique, la relation est satisfaite
, où c est la vitesse de la lumière dans le vide.

Maxwell a théoriquement calculé l'énergie et la vitesse des ondes électromagnétiques.

Ainsi, l'énergie des vagues est directement proportionnelle à la quatrième puissance de la fréquence. Cela signifie que pour détecter plus facilement une onde, elle doit être de haute fréquence.

Les ondes électromagnétiques ont été découvertes par G. Hertz (1887).

Un circuit oscillatoire fermé n'émet pas d'ondes électromagnétiques : toute l'énergie du champ électrique du condensateur est convertie en énergie du champ magnétique de la bobine. La fréquence d'oscillation est déterminée par les paramètres du circuit oscillatoire :
.

Figure 2.13 - Circuit oscillatoire.

Pour augmenter la fréquence, il faut réduire L et C, c'est-à-dire dépliez la bobine en un fil droit et, parce que
, réduisez la surface des assiettes et écartez-les distance maximale. De là, nous pouvons voir que nous aurons essentiellement un conducteur droit.

Un tel appareil est appelé vibrateur Hertz. Le milieu est coupé et connecté à un transformateur haute fréquence. Entre les extrémités des fils sur lesquels sont fixés de petites billes conductrices, jaillit une étincelle électrique, qui est la source de l'onde électromagnétique. L'onde se propage de telle sorte que le vecteur d'intensité du champ électrique oscille dans le plan dans lequel se trouve le conducteur.

Figure 2.14 - Vibrateur Hertz.

Si vous placez le même conducteur (antenne) parallèlement à l'émetteur, les charges qu'il contient commenceront à osciller et de faibles étincelles sauteront entre les conducteurs.

Hertz a découvert expérimentalement les ondes électromagnétiques et a mesuré leur vitesse, qui coïncidait avec celle calculée par Maxwell et égale à c = 3. 10 8 m/s.

Un champ électrique alternatif génère un champ magnétique alternatif qui, à son tour, génère un champ électrique alternatif, c'est-à-dire qu'une antenne qui excite l'un des champs provoque l'apparition d'un seul champ électrique. Champ électromagnétique. La propriété la plus importante de ce champ est qu’il se propage sous forme d’ondes électromagnétiques.

La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu sans perte dépend de la perméabilité diélectrique et magnétique relative du milieu. Pour l'air, la perméabilité magnétique du milieu est égale à l'unité, donc la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans ce cas est égale à la vitesse de la lumière.

L'antenne peut être un fil vertical alimenté par un générateur haute fréquence. Le générateur dépense de l'énergie pour accélérer le mouvement des électrons libres dans le conducteur, et cette énergie est convertie en un champ électromagnétique alternatif, c'est-à-dire des ondes électromagnétiques. Plus la fréquence du courant du générateur est élevée, plus le champ électromagnétique change rapidement et plus la guérison des ondes est intense.

Le fil d'antenne est connecté comme un champ électrique, les lignes électriques qui commencent sur des charges positives et se terminent sur des charges négatives, et un champ magnétique dont les lignes se ferment autour du courant du fil. Plus la période d'oscillation est courte, moins il reste de temps à l'énergie des champs liés pour revenir au fil (c'est-à-dire au générateur) et plus elle se transforme en champs libres, qui se propagent ensuite sous forme d'ondes électromagnétiques. Un rayonnement efficace des ondes électromagnétiques se produit à condition que la longueur d'onde et la longueur du fil émetteur soient proportionnées.

Ainsi, on peut déterminer que onde radio- il s'agit d'un champ électromagnétique non associé aux dispositifs émetteurs et formant canaux, se propageant librement dans l'espace sous la forme d'une onde avec une fréquence d'oscillation de 10 -3 à 10 12 Hz.

Les oscillations d'électrons dans l'antenne sont créées par une source de force électromotrice variant périodiquement avec une période T. Si à un moment donné le champ au niveau de l'antenne avait une valeur maximale, alors il aura la même valeur après un certain temps T. Pendant ce temps, le champ électromagnétique qui existait initialement au niveau de l'antenne se déplacera sur une distance

λ = υТ (1)

La distance minimale entre deux points de l'espace pour laquelle le champ a la même valeur est appelée longueur d'onde. Comme il ressort de (1), la longueur d’onde λ dépend de la vitesse de sa propagation et de la période d'oscillation des électrons dans l'antenne. Parce que fréquence actuel F = 1/T, alors la longueur d'onde λ = υ / F .

La liaison radio comprend les parties principales suivantes :

Émetteur

Destinataire

L'environnement dans lequel les ondes radio se propagent.

L'émetteur et le récepteur sont des éléments contrôlables d'une liaison radio, puisque vous pouvez augmenter la puissance de l'émetteur, connecter une antenne plus efficace et augmenter la sensibilité du récepteur. Le médium est un élément incontrôlé de la liaison radio.

La différence entre une ligne de communication radio et des lignes filaires est que dans les lignes filaires, des fils ou des câbles, qui sont des éléments contrôlables (vous pouvez modifier leurs paramètres électriques), sont utilisés comme lien de connexion.

Ondes électromagnétiques est le processus de propagation d'un champ électromagnétique alternatif dans l'espace. Théoriquement, l’existence des ondes électromagnétiques a été prédite par le scientifique anglais Maxwell en 1865, et elles ont été obtenues expérimentalement pour la première fois par le scientifique allemand Hertz en 1888.

De la théorie de Maxwell découlent des formules qui décrivent les oscillations des vecteurs et. Onde électromagnétique monochromatique plane se propageant le long de l'axe X, est décrit par les équations

Ici E Et H- les valeurs instantanées, et E m et H m - valeurs d'amplitude de l'intensité du champ électrique et magnétique, ω - fréquence circulaire, k- numéro d'onde. Les vecteurs et oscillent avec la même fréquence et la même phase, sont mutuellement perpendiculaires et, en outre, perpendiculaires au vecteur - la vitesse de propagation des ondes (Fig. 3.7). Autrement dit, les ondes électromagnétiques sont transversales.

Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent à grande vitesse. Dans un milieu à constante diélectrique ε et perméabilité magnétique µ la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est égale à :

La fréquence des oscillations électromagnétiques, ainsi que la longueur d'onde, peuvent, en principe, être n'importe quoi. La classification des ondes par fréquence (ou longueur d'onde) est appelée échelle des ondes électromagnétiques. Ondes électromagnétiques sont divisés en plusieurs types.

Les ondes radio avoir une longueur d'onde de 10 3 à 10 -4 m.

Les ondes lumineuses inclure:

Rayonnement X - .

Les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques qui incluent les parties infrarouge, visible et ultraviolette du spectre. Les longueurs d'onde de la lumière dans le vide correspondant aux couleurs primaires du spectre visible sont indiquées dans le tableau ci-dessous. La longueur d'onde est donnée en nanomètres.

Tableau

Les ondes lumineuses ont les mêmes propriétés que les ondes électromagnétiques.

1. Les ondes lumineuses sont transversales.

2. Les vecteurs et oscillent dans une onde lumineuse.

L'expérience montre que tous les types d'effets (physiologiques, photochimiques, photoélectriques, etc.) sont provoqués par les vibrations. vecteur électrique. Il est appelé vecteur de lumière .

Amplitude du vecteur lumière E m est souvent désigné par la lettre UN et au lieu de l'équation (3.30), l'équation (3.24) est utilisée.

3. Vitesse de la lumière dans le vide.

La vitesse d'une onde lumineuse dans un milieu est déterminée par la formule (3.29). Mais pour les supports transparents (verre, eau), c'est habituel.

Pour les ondes lumineuses, la notion d'indice de réfraction absolu est introduite.

Indice de réfraction absolu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans un milieu donné

D’après (3.29), en tenant compte du fait que pour les milieux transparents, on peut écrire l’égalité.

Pour le vide ε = 1 et n= 1. Pour tout environnement physique n> 1. Par exemple, pour l'eau n= 1,33, pour le verre. Un milieu avec un indice de réfraction plus élevé est dit optiquement plus dense. Le rapport des indices de réfraction absolus est appelé indice de réfraction relatif :

4. La fréquence des ondes lumineuses est très élevée. Par exemple, pour la lumière rouge avec une longueur d'onde.

Lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre, la fréquence de la lumière ne change pas, mais la vitesse et la longueur d’onde changent.

Pour le vide - ; pour l'environnement - , alors

.

La longueur d’onde de la lumière dans le milieu est donc égale au rapport de la longueur d’onde de la lumière dans le vide à l’indice de réfraction.

5. Parce que la fréquence des ondes lumineuses est très élevée , alors l’œil de l’observateur ne distingue pas les vibrations individuelles, mais perçoit les flux d’énergie moyens. Cela introduit la notion d’intensité.

Intensité est le rapport de l'énergie moyenne transférée par la vague à la période de temps et à la surface du site perpendiculaire à la direction de propagation de la vague :

Puisque l'énergie des vagues est proportionnelle au carré de l'amplitude (voir formule (3.25)), l'intensité est proportionnelle à la valeur moyenne du carré de l'amplitude

La caractéristique de l'intensité lumineuse, compte tenu de sa capacité à provoquer des sensations visuelles, est flux lumineux - F .

6. La nature ondulatoire de la lumière se manifeste, par exemple, dans des phénomènes tels que les interférences et la diffraction.

Une onde électromagnétique est une perturbation du champ électromagnétique transmis dans l'espace. Sa vitesse correspond à la vitesse de la lumière

2. Décrivez l’expérience de Hertz sur la détection des ondes électromagnétiques

Dans l'expérience de Hertz, la source des perturbations électromagnétiques était les oscillations électromagnétiques qui se produisaient dans un vibrateur (un conducteur avec un entrefer au milieu). À cet intervalle, il a été soumis haute tension, cela a causé décharge d'étincelle. Au bout d'un moment, une décharge d'étincelle est apparue dans le résonateur (un vibrateur similaire). L’étincelle la plus intense s’est produite dans le résonateur, situé parallèlement au vibrateur.

3. Expliquez les résultats de l’expérience de Hertz en utilisant la théorie de Maxwell. Pourquoi une onde électromagnétique est-elle transversale ?

Le courant traversant l'espace de décharge crée une induction autour de lui, Flux magnétique augmente, apparaît courant induit compensations. La tension au point 1 (Fig. 155, b du manuel) est dirigée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans le plan du dessin, au point 2 le courant est dirigé vers le haut et provoque l'induction au point 3, la tension est dirigée vers le haut. Si la tension est suffisante pour provoquer un claquage électrique de l'air dans l'espace, une étincelle se produit et un courant circule dans le résonateur.

Parce que les directions des vecteurs d’induction du champ magnétique et l’intensité du champ électrique sont perpendiculaires entre elles et à la direction de l’onde.

4. Pourquoi le rayonnement des ondes électromagnétiques se produit-il avec le mouvement accéléré des charges électriques ? Comment l’intensité du champ électrique dans une onde électromagnétique émise dépend-elle de l’accélération de la particule chargée émettrice ?

La force du courant est proportionnelle à la vitesse de déplacement des particules chargées, donc une onde électromagnétique ne se produit que si la vitesse de déplacement de ces particules dépend du temps. L'intensité de l'onde électromagnétique émise est directement proportionnelle à l'accélération de la particule chargée rayonnante.

5. Comment la densité énergétique du champ électromagnétique dépend-elle de l’intensité du champ électrique ?

La densité énergétique du champ électromagnétique est directement proportionnelle au carré de l’intensité du champ électrique.

Les ondes électromagnétiques (dont le tableau sera donné ci-dessous) sont des perturbations des champs magnétiques et électriques répartis dans l'espace. Il en existe plusieurs types. La physique étudie ces perturbations. Les ondes électromagnétiques se forment du fait qu'un champ électrique alternatif génère un champ magnétique qui, à son tour, génère un champ électrique.

Histoire de la recherche

Les premières théories, qui peuvent être considérées comme les versions les plus anciennes des hypothèses sur les ondes électromagnétiques, remontent au moins à l’époque de Huygens. Durant cette période, les hypothèses ont atteint un développement quantitatif prononcé. Huygens a publié en 1678 une sorte de « croquis » de la théorie - le « Traité sur la lumière ». En 1690, il publie un autre ouvrage remarquable. Il expose la théorie qualitative de la réflexion et de la réfraction sous la forme sous laquelle elle est encore présentée aujourd'hui dans les manuels scolaires (« Ondes électromagnétiques », 9e année).

Parallèlement, le principe de Huygens est formulé. Avec son aide, il est devenu possible d'étudier le mouvement du front d'onde. Ce principe trouva par la suite son développement dans les travaux de Fresnel. Le principe de Huygens-Fresnel revêtait une importance particulière dans la théorie de la diffraction et la théorie ondulatoire de la lumière.

Dans les années 1660-1670, Hooke et Newton apportèrent d’importantes contributions expérimentales et théoriques à la recherche. Qui a découvert les ondes électromagnétiques ? Qui a mené les expériences pour prouver leur existence ? Quels types d’ondes électromagnétiques existe-t-il ? Nous en reparlerons plus tard.

La justification de Maxwell

Avant de parler de qui a découvert les ondes électromagnétiques, il faut dire que le premier scientifique qui a généralement prédit leur existence fut Faraday. Il avance son hypothèse en 1832. Maxwell a ensuite travaillé à la construction de la théorie. En 1865, il termina ce travail. En conséquence, Maxwell a formulé strictement mathématiquement la théorie, justifiant l'existence des phénomènes considérés. Il a également déterminé la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques, qui coïncidait avec la valeur alors utilisée de la vitesse de la lumière. Ceci, à son tour, lui a permis de confirmer l'hypothèse selon laquelle la lumière est l'un des types de rayonnement considérés.

Détection expérimentale

La théorie de Maxwell fut confirmée par les expériences de Hertz en 1888. Il faut dire ici que le physicien allemand a mené ses expériences pour réfuter la théorie, malgré sa justification mathématique. Cependant, grâce à ses expériences, Hertz est devenu le premier à découvrir pratiquement les ondes électromagnétiques. De plus, au cours de ses expériences, le scientifique a identifié les propriétés et les caractéristiques du rayonnement.

Hertz a obtenu des oscillations et des ondes électromagnétiques en excitant une série d'impulsions d'un flux variant rapidement dans un vibrateur utilisant une source haute tension. Les courants haute fréquence peuvent être détectés à l'aide d'un circuit. Plus la capacité et l'inductance sont élevées, plus la fréquence d'oscillation sera élevée. Mais en même temps, une fréquence élevée ne garantit pas un flux intense. Pour réaliser ses expériences, Hertz a utilisé un appareil assez simple, aujourd’hui appelé « vibrateur Hertz ». L'appareil est un circuit oscillant de type ouvert.

Schéma de l'expérience de Hertz

L'enregistrement du rayonnement a été réalisé à l'aide d'un vibrateur récepteur. Cet appareil avait la même conception que le dispositif émetteur. Sous l'influence d'une onde électromagnétique d'un champ électrique alternatif, une oscillation de courant a été excitée dans le dispositif récepteur. Si dans cet appareil sa fréquence naturelle et la fréquence du flux coïncidaient, alors une résonance apparaissait. En conséquence, des perturbations dans le dispositif de réception se sont produites avec une plus grande amplitude. Le chercheur les a découverts en observant des étincelles entre les conducteurs dans un petit espace.

Ainsi, Hertz est devenu le premier à découvrir les ondes électromagnétiques et à prouver leur capacité à être bien réfléchies par les conducteurs. Il a pratiquement prouvé la formation de rayonnements permanents. De plus, Hertz a déterminé la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans l'air.

Étude des caractéristiques

Les ondes électromagnétiques se propagent dans presque tous les milieux. Dans un espace rempli de matière, le rayonnement peut dans certains cas être assez bien réparti. Mais en même temps, ils changent quelque peu leur comportement.

Les ondes électromagnétiques dans le vide sont détectées sans atténuation. Ils sont distribués à tous, arbitrairement longue distance. Les principales caractéristiques des ondes comprennent la polarisation, la fréquence et la longueur. Les propriétés sont décrites dans le cadre de l'électrodynamique. Cependant, des branches plus spécifiques de la physique traitent des caractéristiques du rayonnement dans certaines régions du spectre. Ceux-ci incluent, par exemple, l'optique.

L'étude du rayonnement électromagnétique dur à l'extrémité spectrale des ondes courtes est réalisée par la section haute énergie. Compte tenu des idées modernes, la dynamique cesse d'être une discipline indépendante et se combine avec une seule théorie.

Théories utilisées dans l'étude des propriétés

Il y a aujourd'hui diverses méthodes, facilitant la modélisation et l'étude des manifestations et propriétés des vibrations. L'électrodynamique quantique est considérée comme la plus fondamentale des théories testées et complétées. A partir de là, grâce à certaines simplifications, il devient possible d'obtenir les méthodes énumérées ci-dessous, largement utilisées dans divers domaines.

La description du rayonnement relativement basse fréquence dans un environnement macroscopique est réalisée en utilisant l'électrodynamique classique. Il est basé sur les équations de Maxwell. Il existe cependant des simplifications dans les applications. L'étude optique utilise l'optique. La théorie des vagues est utilisée dans les cas où certaines parties Système optique sont proches en taille des longueurs d’onde. L'optique quantique est utilisée lorsque les processus de diffusion et d'absorption des photons sont importants.

La théorie de l'optique géométrique est un cas limite dans lequel la longueur d'onde peut être ignorée. Il existe également plusieurs sections appliquées et fondamentales. Il s'agit par exemple de l'astrophysique, de la biologie de la perception visuelle et de la photosynthèse, ainsi que de la photochimie. Comment sont classées les ondes électromagnétiques ? Un tableau illustrant clairement la répartition en groupes est présenté ci-dessous.

Classification

Il existe des gammes de fréquences d’ondes électromagnétiques. Il n'y a pas de transitions nettes entre eux ; parfois ils se chevauchent. Les frontières entre eux sont assez arbitraires. Du fait que le flux est distribué en continu, la fréquence est strictement liée à la longueur. Vous trouverez ci-dessous les gammes d'ondes électromagnétiques.

Le rayonnement ultracourt est généralement divisé en micromètre (submillimètre), millimètre, centimètre, décimètre et mètre. Si le rayonnement électromagnétique moins d'un mètre, alors on l'appelle généralement oscillation ultra-haute fréquence (micro-ondes).

Types d'ondes électromagnétiques

Ci-dessus se trouvent les gammes d’ondes électromagnétiques. Quels types de flux existe-t-il ? Le groupe comprend les rayons gamma et X. Il faut dire que la lumière ultraviolette et même la lumière visible sont capables d'ioniser les atomes. Les limites dans lesquelles se situent les flux de rayons gamma et X sont déterminées de manière très conditionnelle. En règle générale, les limites de 20 eV - 0,1 MeV sont acceptées. Les flux gamma au sens étroit sont émis par le noyau, les flux de rayons X sont émis par la coque atomique électronique en train d'éliminer les électrons des orbites basses. Cependant, cette classification ne s'applique pas aux rayonnements durs générés sans la participation de noyaux et d'atomes.

Les flux de rayons X se forment lorsque des particules chargées et rapides (protons, électrons et autres) ralentissent et à la suite de processus qui se produisent à l'intérieur des couches électroniques atomiques. Les oscillations gamma résultent de processus à l'intérieur des noyaux des atomes et lors de la transformation des particules élémentaires.

Flux radiophoniques

En raison de d'une grande importance longueurs, la considération de ces ondes peut être réalisée sans tenir compte de la structure atomistique du milieu. Par exception, seuls les flux les plus courts, adjacents à la région infrarouge du spectre, agissent. Dans la gamme radio propriétés quantiques les vibrations apparaissent plutôt faiblement. Néanmoins, ils doivent être pris en compte, par exemple, lors de l'analyse des étalons moléculaires de temps et de fréquence lors du refroidissement des équipements à une température de plusieurs kelvins.

Les propriétés quantiques sont également prises en compte lors de la description des générateurs et des amplificateurs dans les plages millimétriques et centimétriques. Le flux radio se forme lors du mouvement du courant alternatif à travers des conducteurs de la fréquence correspondante. Et une onde électromagnétique qui passe dans l’espace excite l’onde correspondante. Cette propriété utilisé dans la conception d’antennes en ingénierie radio.

Fils visibles

Ultraviolet et infrarouge rayonnement visible s'élève à dans un sens large autrement dit, la partie dite optique du spectre. Le choix de cette zone est déterminé non seulement par la proximité des zones correspondantes, mais aussi par la similitude des instruments utilisés dans la recherche et développés principalement lors de l'étude de la lumière visible. Il s'agit notamment des miroirs et des lentilles pour focaliser le rayonnement, des réseaux de diffraction, des prismes et autres.

Les fréquences des ondes optiques sont comparables à celles des molécules et des atomes, et leurs longueurs sont comparables aux distances intermoléculaires et aux tailles moléculaires. Par conséquent, les phénomènes provoqués par la structure atomique de la matière deviennent importants dans ce domaine. Pour la même raison, la lumière, outre les propriétés des ondes, possède également des propriétés quantiques.

L’émergence des flux optiques

La source la plus connue est le Soleil. La surface de l'étoile (photosphère) a une température de 6 000° Kelvin et émet une lumière blanche et brillante. La valeur la plus élevée du spectre continu se situe dans la zone « verte » - 550 nm. C’est également là que se situe la sensibilité visuelle maximale. Des oscillations dans le domaine optique se produisent lorsque les corps sont chauffés. Les flux infrarouges sont donc également appelés flux thermiques.

Plus le corps est chauffé, plus la fréquence est élevée, là où se situe le maximum du spectre. Avec une certaine augmentation de la température, une incandescence (lueur dans le domaine visible) est observée. Dans ce cas, le rouge apparaît en premier, puis le jaune, et ainsi de suite. La création et l'enregistrement de flux optiques peuvent se produire dans des environnements biologiques et réactions chimiques, dont l'un est utilisé en photographie. Pour la plupart des créatures vivant sur Terre, la photosynthèse sert de source d’énergie. Cette réaction biologique se produit chez les plantes sous l’influence du rayonnement optique solaire.

Caractéristiques des ondes électromagnétiques

Les propriétés du milieu et de la source influencent les caractéristiques des écoulements. Ceci établit notamment la dépendance temporelle des champs, qui détermine le type de flux. Par exemple, lorsque la distance du vibrateur change (à mesure qu'elle augmente), le rayon de courbure devient plus grand. En conséquence, une onde électromagnétique plane se forme. L'interaction avec la substance se produit également de différentes manières.

En règle générale, les processus d'absorption et d'émission de flux peuvent être décrits à l'aide de relations électrodynamiques classiques. Pour les ondes du domaine optique et pour les rayons durs, leur nature quantique devrait être encore plus prise en compte.

Sources de flux

Malgré la différence physique, partout - dans une substance radioactive, un émetteur de télévision, une lampe à incandescence - les ondes électromagnétiques sont excitées par des charges électriques qui se déplacent avec accélération. Il existe deux principaux types de sources : microscopiques et macroscopiques. Dans le premier cas, il y a une transition abrupte des particules chargées d’un niveau à un autre à l’intérieur des molécules ou des atomes.

Les sources microscopiques émettent des rayons X, gamma, ultraviolets, infrarouges, visibles et, dans certains cas, à ondes longues. Un exemple de ce dernier est la raie du spectre de l'hydrogène, qui correspond à une longueur d'onde de 21 cm. Ce phénomène revêt une importance particulière en radioastronomie.

Les sources de type macroscopique sont des émetteurs dans lesquels électrons libres les conducteurs subissent des oscillations synchrones périodiques. Dans les systèmes de cette catégorie, des flux sont générés à l'échelle millimétrique jusqu'à la plus longue (dans les lignes électriques).

Structure et force des flux

Les courants accélérés et changeant périodiquement s'influencent mutuellement avec certaines forces. La direction et leur ampleur dépendent de facteurs tels que la taille et la configuration de la région dans laquelle les courants et les charges sont contenus, leur direction et leur ampleur relatives. Ils ont également un impact important Caractéristiques électriques environnement spécifique, ainsi que les changements dans la concentration de charge et la distribution du courant source.

En raison de la complexité générale de l’énoncé du problème, il est impossible de présenter la loi des forces sous la forme d’une formule unique. La structure, appelée champ électromagnétique et considérée, le cas échéant, comme un objet mathématique, est déterminée par la répartition des charges et des courants. Celui-ci, à son tour, est créé par une source donnée en tenant compte des conditions aux limites. Les conditions sont déterminées par la forme de la zone d’interaction et les caractéristiques du matériau. Si nous parlons d'espace illimité, ces circonstances sont complétées. Dans de tels cas, la condition de rayonnement constitue une condition supplémentaire particulière. Grâce à cela, la « correction » du comportement du champ à l'infini est garantie.

Chronologie de l'étude

Lomonossov dans certaines de ses dispositions anticipe des postulats individuels de la théorie du champ électromagnétique : le mouvement « rotatif » (rotatif) des particules, la théorie « oscillante » (onde) de la lumière, son point commun avec la nature de l'électricité, etc. les flux ont été découverts en 1800 par Herschel (scientifique anglais), et l'année suivante, en 1801, Ritter a décrit l'ultraviolet. Un rayonnement d'une portée plus courte que l'ultraviolet a été découvert par Roentgen en 1895, le 8 novembre. Par la suite, il reçut le nom de rayons X.

L’influence des ondes électromagnétiques a été étudiée par de nombreux scientifiques. Cependant, le premier à explorer les possibilités des flux et la portée de leur application fut Narkevich-Iodko (scientifique biélorusse). Il a étudié les propriétés des flux en relation avec la médecine pratique. Le rayonnement gamma a été découvert par Paul Willard en 1900. Durant la même période, Planck a mené recherche théorique propriétés d'un corps noir. Au cours de ses études, il a découvert la nature quantique du processus. Son travail a marqué le début du développement. Par la suite, plusieurs ouvrages de Planck et d'Einstein ont été publiés. Leurs recherches ont conduit à la formation d’un concept tel que le photon. Ceci, à son tour, marqua le début de la création théorie des quanta flux électromagnétiques. Son développement s'est poursuivi dans les travaux des principales personnalités scientifiques du XXe siècle.

Des recherches et des travaux plus approfondis sur la théorie quantique du rayonnement électromagnétique et son interaction avec la matière ont finalement conduit à la formation de l'électrodynamique quantique sous la forme sous laquelle elle existe aujourd'hui. Parmi les scientifiques exceptionnels qui ont étudié ce problème, il faut citer, outre Einstein et Planck, Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonagu, Schwinger, Feynman.

Conclusion

L'importance de la physique dans monde moderne assez gros. Presque tout ce qui est utilisé dans la vie humaine aujourd'hui est apparu grâce à utilisation pratique recherches de grands scientifiques. La découverte des ondes électromagnétiques et leur étude notamment ont conduit à la création de systèmes conventionnels, puis téléphones portables, émetteurs radio. Sens spécial utilisation pratique possède de telles connaissances théoriques dans le domaine de la médecine, de l'industrie et de la technologie.

Cette utilisation répandue est due à la nature quantitative de la science. Tous expériences physiques s'appuyer sur des mesures, comparaison des propriétés des phénomènes étudiés avec les normes existantes. C'est dans ce but qu'un complexe a été développé au sein de la discipline instruments de mesure et les unités. Un certain nombre de modèles sont communs à tous les systèmes matériels existants. Par exemple, les lois de conservation de l’énergie sont considérées comme des lois physiques générales.

La science dans son ensemble est souvent qualifiée de fondamentale. Cela est dû, tout d’abord, au fait que d’autres disciplines proposent des descriptions qui, à leur tour, obéissent aux lois de la physique. Ainsi, en chimie, les atomes, les substances qui en sont formées et les transformations sont étudiés. Mais Propriétés chimiques les corps sont déterminés caractéristiques physiques molécules et atomes. Ces propriétés décrivent des branches de la physique telles que l'électromagnétisme, la thermodynamique et autres.

Une onde électromagnétique est un processus de changements séquentiels et interconnectés dans les vecteurs de force des champs électriques et magnétiques, dirigés perpendiculairement au faisceau de propagation de l'onde, dans lequel un changement du champ électrique provoque des changements dans le champ magnétique, qui, à leur tour, provoquer des changements dans le champ électrique.

Vague (processus ondulatoire) - le processus de propagation des oscillations dans continuum. Lorsqu'une onde se propage, les particules du milieu ne se déplacent pas avec l'onde, mais oscillent autour de leurs positions d'équilibre. Avec l'onde, seuls les états sont transférés de particule en particule du milieu mouvement oscillatoire et son énergie. Par conséquent, la propriété principale de toutes les ondes, quelle que soit leur nature, est le transfert d’énergie sans transfert de matière.

Les ondes électromagnétiques se produisent toujours lorsqu'il existe un champ électrique changeant dans l'espace. Ce champ électrique changeant est le plus souvent provoqué par le mouvement de particules chargées et par la façon dont cas particulier un tel mouvement par courant électrique alternatif.

Le champ électromagnétique est une oscillation interconnectée des champs électrique (E) et magnétique (B). La propagation d'un champ électromagnétique unique dans l'espace s'effectue grâce à des ondes électromagnétiques.

Onde électromagnétique - vibrations électromagnétiques se propageant dans l'espace et transférant de l'énergie

Les caractéristiques des ondes électromagnétiques, les lois de leur excitation et de leur propagation sont décrites par les équations de Maxwell (qui ne sont pas abordées dans ce cours). Si dans une région de l'espace il y a charges électriques et des courants, leur évolution dans le temps entraîne l'émission d'ondes électromagnétiques. La description de leur propagation s'apparente à la description des ondes mécaniques.

Si le milieu est homogène et que l’onde se propage le long de l’axe X avec une vitesse v, alors électrique (E) et magnétique (B) les composantes du champ en chaque point du milieu varient selon une loi harmonique avec la même fréquence circulaire (ω) et dans la même phase (équation d'onde plane) :

où x est la coordonnée du point et t est l'heure.

Les vecteurs B et E sont mutuellement perpendiculaires et chacun d'eux est perpendiculaire à la direction de propagation des ondes (axe X). Les ondes électromagnétiques sont donc transversales

Onde électromagnétique sinusoïdale (harmonique). Vecteurs , et sont mutuellement perpendiculaires

1) Les ondes électromagnétiques se propagent dans la matière avec vitesse terminale

Vitesse c la propagation des ondes électromagnétiques dans le vide est l’une des constantes physiques fondamentales.

La conclusion de Maxwell sur la vitesse finie de propagation des ondes électromagnétiques était en conflit avec l'opinion acceptée à l'époque. théorie à long terme , dans lequel la vitesse de propagation des champs électriques et magnétiques était supposée infiniment grande. Par conséquent, la théorie de Maxwell est appelée la théorie courte portée.

Dans une onde électromagnétique, des transformations mutuelles des champs électriques et magnétiques se produisent. Ces processus se produisent simultanément et les champs électriques et magnétiques agissent comme des « partenaires » égaux. Par conséquent, les densités volumétriques de l’énergie électrique et magnétique sont égales : w e = w m.

4. Les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie. Lorsque les ondes se propagent, un flux se produit énergie électromagnétique. Si vous sélectionnez un site S(Fig. 2.6.3), orienté perpendiculairement à la direction de propagation des ondes, puis en peu de temps Δ t l'énergie Δ circulera à travers la plateforme W euh, égal

En remplaçant ici les expressions pour w euh, w m et υ, on peut obtenir :

Où E 0 – amplitude des oscillations de l’intensité du champ électrique.

La densité de flux d'énergie en SI est mesurée en watts par mètre carré (W/m2).

5. De la théorie de Maxwell, il résulte que les ondes électromagnétiques doivent exercer une pression sur un corps absorbant ou réfléchissant. La pression du rayonnement électromagnétique s'explique par le fait que sous l'influence du champ électrique de l'onde, des courants faibles apparaissent dans la substance, c'est-à-dire un mouvement ordonné des particules chargées. Ces courants sont affectés par la force Ampère du champ magnétique de l’onde, dirigée dans l’épaisseur de la substance. Cette force crée la pression résultante. Habituellement, la pression du rayonnement électromagnétique est négligeable. Par exemple, la pression du rayonnement solaire arrivant sur Terre sur une surface absolument absorbante est d'environ 5 μPa. Les premières expériences visant à déterminer la pression de rayonnement sur les corps réfléchissants et absorbants, qui ont confirmé la conclusion de la théorie de Maxwell, ont été réalisées par P. N. Lebedev en 1900. Les expériences de Lebedev ont été d'une grande importance pour l'approbation de la théorie électromagnétique de Maxwell.

L'existence d'une pression des ondes électromagnétiques permet de conclure que le champ électromagnétique est inhérent impulsion mécanique. L'impulsion du champ électromagnétique dans une unité de volume est exprimée par la relation

Cela implique:

Cette relation entre la masse et l’énergie du champ électromagnétique dans une unité de volume est une loi universelle de la nature. Selon la théorie de la relativité restreinte, cela est vrai pour tous les corps, quelle que soit leur nature et leur structure interne.

Ainsi, le champ électromagnétique possède toutes les caractéristiques corps matériels– énergie, vitesse finale de propagation, quantité de mouvement, masse. Cela suggère que le champ électromagnétique est l'une des formes d'existence de la matière.

6. Premièrement confirmation expérimentale La théorie électromagnétique de Maxwell a été donnée environ 15 ans après la création de la théorie dans les expériences de G. Hertz (1888). Hertz a non seulement prouvé expérimentalement l'existence d'ondes électromagnétiques, mais a pour la première fois commencé à étudier leurs propriétés - absorption et réfraction dans différents milieux, réflexion sur des surfaces métalliques, etc. ondes, qui se sont avérées égales à la vitesse de la lumière.

Les expériences de Hertz ont joué un rôle décisif dans la preuve et la reconnaissance de la théorie électromagnétique de Maxwell. Sept ans après ces expériences, les ondes électromagnétiques ont trouvé des applications dans Communication sans fil(A.S. Popov, 1895).

7. Les ondes électromagnétiques ne peuvent être excitées que frais de déménagement accélérés. Chaînes courant continu, dans lesquels les porteurs de charge se déplacent à vitesse constante, ne sont pas une source d'ondes électromagnétiques. Dans l'ingénierie radio moderne, les ondes électromagnétiques sont émises à l'aide d'antennes divers modèles, dans lequel des courants alternatifs rapides sont excités.

Le système le plus simple l'émission d'ondes électromagnétiques est un dipôle électrique de petite taille, un moment dipolaire p (t) qui évolue rapidement dans le temps.

Un tel dipôle élémentaire est appelé Dipôle Hertz . En ingénierie radio, un dipôle Hertz équivaut à une petite antenne dont la taille est bien inférieure à la longueur d'onde λ (Fig. 2.6.4).

Riz. 2.6.5 donne une idée de la structure de l'onde électromagnétique émise par un tel dipôle.

Il est à noter que le flux maximum d'énergie électromagnétique est émis dans un plan perpendiculaire à l'axe du dipôle. Le dipôle ne rayonne pas d'énergie le long de son axe. Hertz a utilisé un dipôle élémentaire comme antenne d'émission et de réception pour prouver expérimentalement l'existence d'ondes électromagnétiques.