Was sind elektromagnetische Wellen und wo sind sie? Eigenschaften elektromagnetischer Wellen. Art der Strahlungsquellen

Allgemeine Konzepte über elektromagnetische Wellen

In der heutigen Lektion werden wir ein so notwendiges Thema wie elektromagnetische Wellen betrachten. Und dieses Thema ist schon deshalb wichtig, weil unser gesamtes modernes Leben mit Fernsehen, Rundfunk und Mobilfunk verbunden ist. Daher ist es wichtig zu betonen, dass all dies aufgrund elektromagnetischer Wellen geschieht.

Kommen wir nun zu einer detaillierteren Betrachtung des Themas elektromagnetischer Wellen und erläutern zunächst die Definition solcher Wellen.

Wie Sie bereits wissen, ist eine Welle eine Störung, die sich im Raum ausbreitet. Das heißt, wenn irgendwo eine Störung aufgetreten ist und sie sich in alle Richtungen ausbreitet, können wir sagen, dass die Ausbreitung dieser Störung nichts anderes als ein Wellenphänomen ist.

Elektromagnetische Wellen sind elektromagnetische Schwingungen, die sich im Raum mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten, die von den Eigenschaften des Mediums abhängt. Mit anderen Worten können wir sagen, dass eine elektromagnetische Welle ein elektromagnetisches Feld oder eine elektromagnetische Störung ist, die sich im Raum ausbreitet.

Beginnen wir unsere Diskussion mit der Tatsache, dass die Theorie der elektromagnetischen Wellen des elektromagnetischen Feldes erstmals vom englischen Wissenschaftler James Maxwell entwickelt wurde. Das Interessanteste und Merkwürdigste an dieser Arbeit ist, dass sich herausstellt, dass elektrische und magnetische Felder, wie Sie wissen, nachweislich zusammen existieren. Es stellt sich jedoch heraus, dass sie auch ohne jegliche Substanz vollständig existieren können. Diese sehr wichtige Schlussfolgerung wurde in den Werken von James Clerk Maxwell gezogen.

Es stellt sich heraus, dass ein elektromagnetisches Feld auch dort existieren kann, wo keine Substanz vorhanden ist. Wir haben Ihnen gesagt, dass Schallwellen nur dort vorhanden sind, wo sich ein Medium befindet. Das heißt, die Schwingungen, die bei Partikeln auftreten, können nur dann übertragen werden, wenn es Partikel gibt, die diese Störung übertragen können.

Aber was das elektromagnetische Feld betrifft, so kann es dort existieren, wo es keine Substanz und keine Teilchen gibt. Das elektromagnetische Feld existiert also im Vakuum, was bedeutet, dass, wenn wir bestimmte Bedingungen schaffen und sozusagen eine allgemeine elektromagnetische Störung im Raum erzeugen können, diese Störung dementsprechend die Fähigkeit hat, sich in alle Richtungen auszubreiten. Und genau das wird eine elektromagnetische Welle sein.

Der erste Mensch, der eine elektromagnetische Welle aussenden und empfangen konnte, war der deutsche Wissenschaftler Heinrich Hertz. Er war der Erste, der eine solche Anlage zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen schuf.

Das erste, was wir hier sagen müssen, ist, dass wir zum Aussenden einer elektromagnetischen Welle natürlich eine sich ziemlich schnell bewegende elektrische Ladung benötigen. Wir müssen ein Gerät schaffen, in dem sich eine elektrische Ladung sehr schnell oder beschleunigt bewegt.

Heinrich Hertz bewies mit Hilfe seiner Experimente, dass eine bewegte elektrische Ladung mit einer sehr hohen Frequenz, also in der Größenordnung von mehreren Zehntausend Hertz, schwingen muss, um eine starke und deutlich spürbare elektromagnetische Welle zu erhalten. Es sollte auch betont werden, dass, wenn eine solche Schwingung an der Ladung auftritt, um sie herum ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das sich in alle Richtungen ausbreitet. Das heißt, es handelt sich um eine elektromagnetische Welle.

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Es ist auch zu beachten, dass eine elektromagnetische Welle natürlich bestimmte Eigenschaften hat und diese Eigenschaften in den Werken von Maxwell genau angegeben wurden.

Es ist auch zu beachten, dass die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen gewisse Unterschiede aufweisen und auch stark von ihrer Länge abhängen. Je nach Eigenschaften und Wellenlänge werden elektromagnetische Wellen in Bereiche eingeteilt. Sie haben einen eher willkürlichen Maßstab, da benachbarte Bereiche dazu neigen, einander zu überlappen.

Es ist auch nützlich zu wissen, dass einige Bereiche gemeinsame Eigenschaften haben. Zu diesen Eigenschaften gehören:

Durchdringungsfähigkeit;
hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Materie;
Einfluss auf den menschlichen Körper, sowohl positiv als auch negativ usw.

Zu den Arten elektromagnetischer Wellen gehören Radiowellen, ultraviolette und infrarote Bereiche, sichtbares Licht sowie Röntgenstrahlen, Gammastrahlung und andere.

Schauen wir uns nun die folgende Tabelle genau an und untersuchen wir genauer, wie elektromagnetische Wellen klassifiziert werden können, welche Arten von Strahlung es gibt, welche Strahlungsquellen sie haben und welche Frequenz sie haben:

Interessante Fakten über elektromagnetische Wellen

Es dürfte für niemanden ein Geheimnis sein, dass der Raum, der uns umgibt, von elektromagnetischer Strahlung durchdrungen ist. Diese Strahlung wird nicht nur mit Telefon- und Radioantennen in Verbindung gebracht, sondern auch mit den Körpern um uns herum, der Erde, der Sonne und den Sternen. Abhängig von der Schwingungsfrequenz können elektromagnetische Wellen unterschiedliche Namen haben, ihr Wesen ist jedoch ähnlich. Zu diesen elektromagnetischen Wellen gehören Radiowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen sowie Biofeldstrahlen.

Eine so unbegrenzte Energiequelle wie ein elektromagnetisches Feld verursacht Schwankungen in der elektrischen Ladung von Atomen und Molekülen. Daraus folgt, dass sich die Ladung beim Schwingen mit Beschleunigung bewegt und gleichzeitig elektromagnetische Wellen aussendet.

Einfluss elektromagnetischer Wellen auf die menschliche Gesundheit

Seit vielen Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler mit dem Problem des Einflusses elektromagnetischer Felder auf die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen und widmen daher viel Zeit der Erforschung und Untersuchung dieses Problems.

Wahrscheinlich war jeder von Ihnen in Diskotheken und hat bemerkt, dass helle Kleidung unter dem Einfluss von UV-Lampen zu leuchten begann. Für lebende Organismen stellt diese Art von Strahlung keine Gefahr dar.

Beim Besuch eines Solariums oder bei der Verwendung von UV-Lampen für medizinische Zwecke ist jedoch die Verwendung eines Augenschutzes erforderlich, da eine solche Exposition zu einem kurzfristigen Verlust des Sehvermögens führen kann.

Auch bei der Verwendung von bakteriziden UV-Lampen, die zur Desinfektion von Räumen verwendet werden, müssen Sie äußerst vorsichtig sein und den Raum verlassen, da sie sich negativ auf die Haut von Menschen und Pflanzen auswirken und Blattverbrennungen verursachen.

Doch zusätzlich zu den Strahlungsquellen und verschiedenen Geräten um uns herum verfügt der menschliche Körper auch über eigene elektrische und magnetische Felder. Sie sollten aber auch wissen, dass sich elektromagnetische Felder im menschlichen Körper im Laufe seines Lebens ständig verändern.

Um das elektromagnetische Feld einer Person zu bestimmen, wird ein so präzises Gerät wie ein Enzephalograph verwendet. Mit diesem Gerät können Sie das elektromagnetische Feld einer Person genau messen und seine Aktivität in der Großhirnrinde bestimmen. Dank der Einführung eines Geräts wie des Enzephalographen wurde es möglich, verschiedene Krankheiten bereits in einem frühen Stadium zu diagnostizieren.

Eine elektromagnetische Welle ist ein Prozess aufeinanderfolgender, miteinander verbundener Änderungen der Stärkevektoren der elektrischen und magnetischen Felder, die senkrecht zum Wellenausbreitungsstrahl gerichtet sind und bei dem eine Änderung des elektrischen Feldes Änderungen im Magnetfeld verursacht, die wiederum Veränderungen im elektrischen Feld verursachen.

Welle (Wellenprozess) – der Prozess der Ausbreitung von Schwingungen in Kontinuum. Bei der Ausbreitung einer Welle bewegen sich die Teilchen des Mediums nicht mit der Welle, sondern schwingen um ihre Gleichgewichtslagen. Zusammen mit der Welle werden nur die Zustände der Schwingungsbewegung und deren Energie von Teilchen zu Teilchen des Mediums übertragen. Daher ist die Haupteigenschaft aller Wellen, unabhängig von ihrer Natur, die Übertragung von Energie ohne Übertragung von Materie

Elektromagnetische Wellen treten immer dann auf, wenn im Raum ein sich änderndes elektrisches Feld herrscht. Ein solches sich änderndes elektrisches Feld wird am häufigsten durch die Bewegung geladener Teilchen und als Sonderfall einer solchen Bewegung durch einen elektrischen Wechselstrom verursacht.

Das elektromagnetische Feld ist eine miteinander verbundene Schwingung der elektrischen (E) und magnetischen (B) Felder. Die Ausbreitung eines einzelnen elektromagnetischen Feldes im Raum erfolgt durch elektromagnetische Wellen.

Elektromagnetische Welle – elektromagnetische Schwingungen, die sich im Raum ausbreiten und Energie übertragen

Merkmale elektromagnetischer Wellen sowie die Gesetze ihrer Anregung und Ausbreitung werden durch Maxwell-Gleichungen beschrieben (die in diesem Kurs nicht behandelt werden). Existieren in einem Raumbereich elektrische Ladungen und Ströme, so führt deren zeitliche Veränderung zur Emission elektromagnetischer Wellen. Die Beschreibung ihrer Ausbreitung ähnelt der Beschreibung mechanischer Wellen.

Wenn das Medium homogen ist und sich die Welle entlang der X-Achse mit der Geschwindigkeit v ausbreitet, dann elektrisch (E) und magnetisch (B) Die Feldkomponenten an jedem Punkt des Mediums variieren nach einem harmonischen Gesetz mit derselben Kreisfrequenz (ω) und in derselben Phase (ebene Wellengleichung):

Dabei ist x die Koordinate des Punktes und t die Zeit.

Die Vektoren B und E stehen zueinander senkrecht und jeder von ihnen steht senkrecht zur Richtung der Wellenausbreitung (X-Achse). Daher sind elektromagnetische Wellen transversal

Sinusförmige (harmonische) elektromagnetische Welle. Die Vektoren , und stehen zueinander senkrecht

1) Elektromagnetische Wellen breiten sich in der Materie aus Höchstgeschwindigkeit

Geschwindigkeit C Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Vakuum ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten.

Maxwells Schlussfolgerung über die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen stand im Widerspruch zur damals vorherrschenden Ansicht Ferntheorie , bei dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer und magnetischer Felder als unendlich groß angenommen wurde. Daher wird Maxwells Theorie als Theorie bezeichnet kurze Reichweite.

In einer elektromagnetischen Welle kommt es zu gegenseitigen Transformationen elektrischer und magnetischer Felder. Diese Prozesse laufen gleichzeitig ab und die elektrischen und magnetischen Felder fungieren als gleichberechtigte „Partner“. Daher sind die Volumendichten elektrischer und magnetischer Energie einander gleich: w e = w M.

4. Elektromagnetische Wellen transportieren Energie. Bei der Ausbreitung von Wellen entsteht ein Fluss elektromagnetischer Energie. Wenn Sie eine Site auswählen S(Abb. 2.6.3), senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung ausgerichtet, dann in kurzer Zeit Δ T Energie Δ fließt durch die Plattform Wähm, gleich

Ersetzen Sie hier die Ausdrücke für wäh, w m und υ können wir erhalten:

Wo E 0 – Amplitude der Schwankungen der elektrischen Feldstärke.

Die Energieflussdichte in SI wird in gemessen Watt pro Quadratmeter(W/m2).

5. Aus Maxwells Theorie folgt, dass elektromagnetische Wellen Druck auf einen absorbierenden oder reflektierenden Körper ausüben müssen. Der Druck elektromagnetischer Strahlung erklärt sich dadurch, dass unter dem Einfluss des elektrischen Feldes der Welle schwache Ströme in der Substanz entstehen, also die geordnete Bewegung geladener Teilchen. Diese Ströme werden durch die Ampere-Kraft des Magnetfelds der Welle beeinflusst, die in die Dicke der Substanz gerichtet ist. Diese Kraft erzeugt den resultierenden Druck. Normalerweise ist der Druck elektromagnetischer Strahlung vernachlässigbar. Beispielsweise beträgt der Druck der Sonnenstrahlung, die auf einer absolut absorbierenden Oberfläche auf der Erde ankommt, etwa 5 μPa. Die ersten Experimente zur Bestimmung des Strahlungsdrucks auf reflektierende und absorbierende Körper, die die Schlussfolgerung von Maxwells Theorie bestätigten, wurden 1900 von P. N. Lebedev durchgeführt. Lebedevs Experimente waren für die Bestätigung der elektromagnetischen Theorie von Maxwell von großer Bedeutung.

Die Existenz des Drucks elektromagnetischer Wellen lässt den Schluss zu, dass das elektromagnetische Feld inhärent ist mechanischer Impuls. Der Impuls des elektromagnetischen Feldes in einer Volumeneinheit wird durch die Beziehung ausgedrückt

Dies impliziert:

Dieser Zusammenhang zwischen Masse und Energie des elektromagnetischen Feldes in einer Volumeneinheit ist ein universelles Naturgesetz. Nach der speziellen Relativitätstheorie gilt dies für alle Körper, unabhängig von ihrer Natur und inneren Struktur.

Somit weist das elektromagnetische Feld alle Eigenschaften materieller Körper auf – Energie, endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit, Impuls, Masse. Dies legt nahe, dass das elektromagnetische Feld eine der Existenzformen der Materie ist.

6. Die erste experimentelle Bestätigung der elektromagnetischen Theorie von Maxwell erfolgte etwa 15 Jahre nach der Entstehung der Theorie in den Experimenten von G. Hertz (1888). Hertz bewies nicht nur experimentell die Existenz elektromagnetischer Wellen, sondern begann auch erstmals, deren Eigenschaften zu untersuchen – Absorption und Brechung in verschiedenen Medien, Reflexion von Metalloberflächen usw. Er konnte die Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen experimentell messen Wellen, die sich als gleich der Lichtgeschwindigkeit herausstellten.

Die Experimente von Hertz spielten eine entscheidende Rolle beim Beweis und der Anerkennung von Maxwells elektromagnetischer Theorie. Sieben Jahre nach diesen Experimenten fanden elektromagnetische Wellen Anwendung in der drahtlosen Kommunikation (A.S. Popov, 1895).

7. Elektromagnetische Wellen können nur angeregt werden beschleunigte bewegliche Ladungen. Gleichstromkreise, in denen sich Ladungsträger mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, sind keine Quelle elektromagnetischer Wellen. In der modernen Funktechnik werden elektromagnetische Wellen mithilfe von Antennen unterschiedlicher Bauart ausgesendet, in denen schnell wechselnde Ströme angeregt werden.

Das einfachste System, das elektromagnetische Wellen aussendet, ist ein kleiner elektrischer Dipol, ein Dipolmoment P (T), die sich im Laufe der Zeit schnell ändert.

Ein solcher elementarer Dipol heißt Hertz-Dipol . In der Funktechnik entspricht ein Hertz-Dipol einer kleinen Antenne, deren Größe viel kleiner ist als die Wellenlänge λ (Abb. 2.6.4).

Reis. 2.6.5 gibt eine Vorstellung von der Struktur der elektromagnetischen Welle, die von einem solchen Dipol ausgesendet wird.

Es ist zu beachten, dass der maximale Fluss elektromagnetischer Energie in einer Ebene senkrecht zur Dipolachse abgestrahlt wird. Der Dipol strahlt entlang seiner Achse keine Energie ab. Hertz nutzte einen Elementardipol als Sende- und Empfangsantenne, um die Existenz elektromagnetischer Wellen experimentell nachzuweisen.

Nur wenige Menschen wissen, dass elektromagnetische Strahlung das gesamte Universum durchdringt. Bei der Ausbreitung im Raum entstehen elektromagnetische Wellen. Abhängig von der Schwingungsfrequenz der Wellen werden sie bedingt in sichtbares Licht, Radiofrequenzspektrum, Infrarotbereiche usw. unterteilt. Die praktische Existenz elektromagnetischer Wellen wurde 1880 vom deutschen Wissenschaftler G. Hertz (übrigens der.) experimentell nachgewiesen Die Maßeinheit der Frequenz ist nach ihm benannt.

Aus einem Physikkurs wissen wir, was eine besondere Art von Materie ist. Auch wenn nur ein kleiner Teil davon mit dem Auge sichtbar ist, ist sein Einfluss auf die materielle Welt enorm. Elektromagnetische Wellen sind die sequentielle Ausbreitung wechselwirkender Vektoren magnetischer und elektrischer Feldstärke im Raum. Allerdings ist das Wort „Ausbreitung“ in diesem Fall nicht ganz richtig: Es handelt sich vielmehr um eine wellenförmige Störung des Raumes. Der Grund für die Erzeugung elektromagnetischer Wellen ist das Auftreten eines elektrischen Feldes im Raum, das sich im Laufe der Zeit ändert. Und wie Sie wissen, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Es genügt, sich an die Regel zu erinnern, nach der um jeden stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld herrscht. Ein von elektromagnetischen Wellen beeinflusstes Teilchen beginnt zu schwingen, und da Bewegung stattfindet, bedeutet dies, dass Energie abgestrahlt wird. Das elektrische Feld wird auf ein ruhendes Nachbarteilchen übertragen, wodurch wiederum ein Feld elektrischer Natur entsteht. Und da die Felder miteinander verbunden sind, erscheint als nächstes das Magnetfeld. Der Prozess breitet sich lawinenartig aus. In diesem Fall gibt es keine wirkliche Bewegung, sondern nur Schwingungen der Teilchen.

Physiker denken schon seit langem über die Möglichkeit einer praktischen Nutzung nach. In der modernen Welt wird die Energie elektromagnetischer Wellen so häufig genutzt, dass viele sie nicht einmal bemerken und sie für selbstverständlich halten. Ein markantes Beispiel sind Radiowellen, ohne die der Betrieb von Fernsehern und Mobiltelefonen nicht möglich wäre.

Der Vorgang läuft wie folgt ab: Ein modulierter Metallleiter einer speziellen Form (Antenne) wird ständig übertragen. Aufgrund der Eigenschaften des elektrischen Stroms entsteht um den Leiter herum ein elektrisches und dann ein magnetisches Feld, was zur Emission elektromagnetischer Wellen führt. Da sie moduliert sind, tragen sie eine bestimmte Ordnung, kodierte Informationen. Um die benötigten Frequenzen zu empfangen, wird am Empfänger eine Empfangsantenne spezieller Bauart installiert. Es ermöglicht Ihnen, die erforderlichen Frequenzen aus dem allgemeinen elektromagnetischen Hintergrund auszuwählen. Auf dem Metallempfänger angekommen, werden die Wellen teilweise in elektrischen Strom der ursprünglichen Modulation umgewandelt. Als nächstes gehen sie zur Verstärkereinheit und steuern den Betrieb des Geräts (sie bewegen den Lautsprecherdiffusor, drehen die Elektroden in Fernsehbildschirmen).

Der aus elektromagnetischen Wellen erzeugte Strom ist leicht zu erkennen. Dazu reicht es aus, dass der blanke Kern des von der Antenne zum Empfänger verlaufenden Kabels die gemeinsame Masse (Heizstrahler) berührt. In diesem Moment springt ein Funke zwischen Erde und Kern – dies ist eine Manifestation des Der von der Antenne erzeugte Strom ist umso größer, je näher und leistungsstärker der Sender ist. Auch die Antennenkonfiguration hat einen erheblichen Einfluss.

Eine weitere Erscheinungsform elektromagnetischer Wellen, der viele im Alltag begegnen, ist die Nutzung eines Mikrowellenherds. Rotierende Feldstärkelinien durchqueren das Objekt und übertragen einen Teil ihrer Energie, wodurch es erhitzt wird.

Dies ist der Prozess der Ausbreitung elektromagnetischer Wechselwirkung im Weltraum.
Elektromagnetische Wellen werden durch Maxwell-Gleichungen beschrieben, die elektromagnetischen Phänomenen gemeinsam sind. Selbst wenn im Raum keine elektrischen Ladungen und Ströme vorhanden sind, haben die Maxwell-Gleichungen Lösungen ungleich Null. Diese Lösungen beschreiben elektromagnetische Wellen.
In Abwesenheit von Ladungen und Strömen nehmen die Maxwell-Gleichungen die folgende Form an:

,

Durch Anwenden der Verrottungsoperation auf die ersten beiden Gleichungen können Sie separate Gleichungen zur Bestimmung der Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes erhalten

Diese Gleichungen haben die typische Form von Wellengleichungen. Ihre Lösungen sind eine Überlagerung von Ausdrücken des folgenden Typs

Wo – Ein bestimmter Vektor, der Wellenvektor genannt wird? – eine Zahl namens zyklische Frequenz, ? – Phase. Die Größen sind die Amplituden der elektrischen und magnetischen Komponenten der elektromagnetischen Welle. Sie stehen senkrecht zueinander und sind im absoluten Wert gleich. Die physikalische Interpretation jeder der eingeführten Größen ist unten angegeben.
Im Vakuum breitet sich eine elektromagnetische Welle mit einer Geschwindigkeit aus, die Lichtgeschwindigkeit genannt wird. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine grundlegende physikalische Konstante, die mit dem lateinischen Buchstaben c bezeichnet wird. Nach den Grundpostulaten der Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit die maximal mögliche Geschwindigkeit der Informationsübertragung bzw. Körperbewegung. Diese Geschwindigkeit beträgt 299.792.458 m/s.
Eine elektromagnetische Welle wird durch ihre Frequenz charakterisiert. Netzfrequenz unterscheiden? und zyklische Frequenz? = 2??. Je nach Frequenz gehören elektromagnetische Wellen zu einem der Spektralbereiche.
Ein weiteres Merkmal einer elektromagnetischen Welle ist der Wellenvektor. Der Wellenvektor bestimmt die Ausbreitungsrichtung einer elektromagnetischen Welle sowie deren Länge. Der Absolutwert des Wellenvektors wird Wellenzahl genannt.
Elektromagnetische Wellenlänge? = 2? / k, wobei k die Wellenzahl ist.
Die Länge einer elektromagnetischen Welle hängt durch das Dispersionsgesetz von der Frequenz ab. In der Leere ist dieser Zusammenhang einfach:

?? = C.

Diese Beziehung wird oft in der Form geschrieben

? = c k.

Elektromagnetische Wellen mit gleicher Frequenz und gleichem Wellenvektor können sich in der Phase unterscheiden.
Im Vakuum stehen die Stärkevektoren der elektrischen und magnetischen Felder einer elektromagnetischen Welle notwendigerweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Solche Wellen werden Transversalwellen genannt. Mathematisch wird dies durch die Gleichungen und beschrieben. Darüber hinaus stehen die elektrischen und magnetischen Feldstärken senkrecht zueinander und sind an jedem Punkt im Raum immer betragsmäßig gleich: E = H. Wenn Sie ein Koordinatensystem so wählen, dass die z-Achse mit der Ausbreitungsrichtung des zusammenfällt Bei einer elektromagnetischen Welle gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten für die Richtung der elektrischen Feldstärkevektoren. Wenn das eklektische Feld entlang der x-Achse gerichtet ist, dann wird das magnetische Feld entlang der y-Achse gerichtet sein und umgekehrt. Diese beiden unterschiedlichen Möglichkeiten schließen sich nicht gegenseitig aus und entsprechen zwei unterschiedlichen Polarisationen. Dieses Problem wird im Artikel Wellenpolarisation ausführlicher behandelt.
Spektralbereiche mit hervorgehobenem sichtbarem Licht Abhängig von der Frequenz oder Wellenlänge (diese Größen hängen miteinander zusammen) werden elektromagnetische Wellen in verschiedene Bereiche eingeteilt. Wellen in verschiedenen Bereichen interagieren auf unterschiedliche Weise mit physischen Körpern.
Elektromagnetische Wellen mit der niedrigsten Frequenz (oder längsten Wellenlänge) werden klassifiziert als Funkreichweite. Die Funkreichweite dient der Übertragung von Signalen über eine Distanz mittels Radio, Fernsehen und Mobiltelefonen. Radar arbeitet im Funkbereich. Die Funkreichweite wird je nach Länge der elektromagnetischen Welle in Meter, Dicemeter, Zentimeter und Millimeter unterteilt.
Elektromagnetische Wellen gehören höchstwahrscheinlich zum Infrarotbereich. Die Wärmestrahlung des Körpers liegt im Infrarotbereich. Die Registrierung dieser Schwingung ist die Grundlage für den Betrieb von Nachtsichtgeräten. Infrarotwellen werden verwendet, um thermische Schwingungen in Körpern zu untersuchen und dabei zu helfen, die atomare Struktur von Festkörpern, Gasen und Flüssigkeiten zu bestimmen.
Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 800 nm gehört zum Bereich des sichtbaren Lichts. Je nach Frequenz und Wellenlänge variiert die Farbe des sichtbaren Lichts.
Als Wellenlängen werden weniger als 400 nm bezeichnet Ultraviolett. Das menschliche Auge kann sie nicht unterscheiden, obwohl sich ihre Eigenschaften nicht von den Eigenschaften sichtbarer Wellen unterscheiden. Die höhere Frequenz und damit die Energie der Quanten dieses Lichts führt zu einer zerstörerischeren Wirkung ultravioletter Wellen auf biologische Objekte. Die Ozonschicht schützt die Erdoberfläche vor den schädlichen Auswirkungen ultravioletter Wellen. Für zusätzlichen Schutz hat die Natur den Menschen dunkle Haut verliehen. Allerdings benötigt der Mensch ultraviolette Strahlen, um Vitamin D zu produzieren. Aus diesem Grund haben Menschen in nördlichen Breitengraden, wo die Intensität ultravioletter Wellen geringer ist, ihre dunkle Hautfarbe verloren.
Dazu gehören elektromagnetische Wellen höherer Frequenz Röntgen Reichweite. Sie werden so genannt, weil Röntgen sie entdeckte, als er die Strahlung untersuchte, die beim Abbremsen von Elektronen entsteht. In der ausländischen Literatur werden solche Wellen üblicherweise genannt Röntgenstrahlen unter Berücksichtigung von Röntgens Wunsch, dass die Rochen nicht nach ihm benannt werden. Röntgenwellen interagieren nur schwach mit Materie und werden dort stärker absorbiert, wo die Dichte größer ist. Diese Tatsache wird in der Medizin für die Röntgenfluorographie genutzt. Röntgenwellen werden auch zur Elementaranalyse und zur Untersuchung der Struktur kristalliner Körper verwendet.
Die höchste Frequenz und die kürzeste Länge haben ?-Strahlen. Solche Strahlen entstehen durch Kernreaktionen und Reaktionen zwischen Elementarteilchen. ?-Strahlen haben eine große zerstörerische Wirkung auf biologische Objekte. In der Physik werden sie jedoch zur Untersuchung verschiedener Eigenschaften des Atomkerns eingesetzt.
Die Energie einer elektromagnetischen Welle wird durch die Summe der Energien des elektrischen und magnetischen Feldes bestimmt. Die Energiedichte an einem bestimmten Punkt im Raum wird durch den Ausdruck angegeben:

.

Die zeitlich gemittelte Energiedichte ist gleich.

,

Wobei E 0 = H 0 die Amplitude der Welle ist.
Die Energieflussdichte der elektromagnetischen Welle ist wichtig. Insbesondere bestimmt es den Lichtstrom in der Optik. Die Energieflussdichte einer elektromagnetischen Welle wird durch den Umov-Poynting-Vektor angegeben.

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem Medium weist im Vergleich zur Ausbreitung im Hohlraum eine Reihe von Merkmalen auf. Diese Merkmale hängen mit den Eigenschaften des Mediums zusammen und hängen im Allgemeinen von der Frequenz der elektromagnetischen Welle ab. Die elektrischen und magnetischen Komponenten der Welle bewirken eine Polarisation und Magnetisierung des Mediums. Dieses Verhalten des Mediums ist bei niedrigen und hohen Frequenzen unterschiedlich. Bei einer niedrigen Frequenz der elektromagnetischen Welle haben die Elektronen und Ionen der Substanz Zeit, auf Änderungen der Intensität der elektrischen und magnetischen Felder zu reagieren. Die Reaktion des Mediums verfolgt zeitliche Schwankungen in Wellen. Bei hoher Frequenz haben die Elektronen und Ionen der Substanz während der Schwingungsperiode der Wellenfelder keine Zeit, sich zu verschieben, und daher ist die Polarisation und Magnetisierung des Mediums viel geringer.
Ein niederfrequentes elektromagnetisches Feld dringt nicht in Metalle ein, wo sich viele freie Elektronen befinden, die auf diese Weise verdrängt werden und die elektromagnetische Welle vollständig dämpfen. Eine elektromagnetische Welle beginnt mit einer Frequenz, die eine bestimmte Frequenz überschreitet, die als Plasmafrequenz bezeichnet wird, in das Metall einzudringen. Bei Frequenzen unterhalb der Plasmafrequenz kann die elektromagnetische Welle die Oberflächenschicht des Metalls durchdringen. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet.
In Dielektrika ändert sich das Ausbreitungsgesetz der elektromagnetischen Welle. Wenn sich elektromagnetische Wellen im Vakuum mit konstanter Amplitude ausbreiten, werden sie im Medium durch Absorption gedämpft. Dabei wird die Wellenenergie auf Elektronen oder Ionen des Mediums übertragen. Insgesamt nimmt das Dispersionsgesetz ohne magnetische Effekte die Form an

Wobei die Wellenzahl k eine komplexe Größe ist, deren Imaginärteil die Abnahme der Amplitude der elektromagnetischen Welle beschreibt, ist die frequenzabhängige komplexe Dielektrizitätskonstante des Mediums.
In anisotropen Medien ist die Richtung der elektrischen und magnetischen Feldstärkevektoren nicht unbedingt senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung. Die Richtung der elektrischen und magnetischen Induktionsvektoren behält diese Eigenschaft jedoch bei.
Unter bestimmten Bedingungen kann sich in einem Medium eine andere Art elektromagnetischer Welle ausbreiten – eine longitudinale elektromagnetische Welle, bei der die Richtung des elektrischen Feldstärkevektors mit der Ausbreitungsrichtung der Welle übereinstimmt.
Um das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung zu erklären, schlug Max Planck zu Beginn des 20. Jahrhunderts vor, dass elektromagnetische Wellen von Quanten mit einer Energie proportional zur Frequenz ausgesendet werden. Einige Jahre später erweiterte Albert Einstein diese Idee, indem er das Phänomen des photoelektrischen Effekts erklärte, und schlug vor, dass elektromagnetische Wellen von denselben Quanten absorbiert werden. Somit wurde deutlich, dass elektromagnetische Wellen durch einige Eigenschaften gekennzeichnet sind, die früher materiellen Teilchen, Korpuskeln, zugeschrieben wurden.
Diese Idee wird Welle-Teilchen-Dualität genannt.

Elektromagnetische Wellen gehören laut Physik zu den geheimnisvollsten. In ihnen verschwindet die Energie tatsächlich im Nichts und erscheint aus dem Nichts. In der gesamten Wissenschaft gibt es kein anderes Objekt dieser Art. Wie kommen all diese wunderbaren gegenseitigen Transformationen zustande?

Maxwells Elektrodynamik

Alles begann damit, dass der Wissenschaftler Maxwell bereits 1865 auf der Grundlage der Arbeit von Faraday die Gleichung des elektromagnetischen Feldes ableitete. Maxwell selbst glaubte, dass seine Gleichungen die Torsion und Spannung von Wellen im Äther beschrieben. 23 Jahre später erzeugte Hertz experimentell solche Störungen im Medium, und es gelang nicht nur, sie mit den Gleichungen der Elektrodynamik in Einklang zu bringen, sondern auch Gesetze zu ermitteln, die die Ausbreitung dieser Störungen regeln. Es ist eine merkwürdige Tendenz entstanden, alle Störungen elektromagnetischer Natur als Hertzsche Wellen zu bezeichnen. Allerdings sind diese Strahlungen nicht die einzige Möglichkeit zur Energieübertragung.

Kabellose Verbindung

Zu den möglichen Optionen zur Implementierung einer solchen drahtlosen Kommunikation gehören heute:

Elektrostatische Kopplung, auch kapazitive Kopplung genannt;

Induktion;

Aktuell;

Tesla-Kopplung, also die Kopplung von Elektronendichtewellen entlang leitender Oberflächen;

Das breiteste Spektrum der häufigsten Träger, die elektromagnetische Wellen genannt werden – von ultraniedrigen Frequenzen bis hin zu Gammastrahlung.

Es lohnt sich, diese Art der Kommunikation genauer zu betrachten.

Elektrostatische Kopplung

Zwei Dipole sind gekoppelte elektrische Kräfte im Raum, was eine Folge des Coulombschen Gesetzes ist. Diese Art der Kommunikation unterscheidet sich von elektromagnetischen Wellen durch die Fähigkeit, Dipole zu verbinden, wenn sie sich auf derselben Leitung befinden. Mit zunehmender Entfernung lässt die Stärke der Verbindung nach und es ist auch ein starker Einfluss verschiedener Störungen zu beobachten.

Induktionskopplung

Basierend auf magnetischen Feldern der Induktivitätsstreuung. Beobachtet zwischen Objekten mit Induktivität. Sein Einsatz ist aufgrund seiner geringen Reichweite recht begrenzt.

Aktuelle Kommunikation

Aufgrund der Ausbreitung von Strömen in einem leitenden Medium kann es zu einer bestimmten Wechselwirkung kommen. Wenn Ströme durch die Anschlüsse (ein Kontaktpaar) fließen, können dieselben Ströme in beträchtlicher Entfernung von den Kontakten erfasst werden. Dies wird als Stromausbreitungseffekt bezeichnet.

Tesla-Verbindung

Der berühmte Physiker Nikola Tesla erfand die Kommunikation mithilfe von Wellen auf einer leitenden Oberfläche. Wenn an einer Stelle der Ebene die Ladungsträgerdichte gestört wird, beginnen sich diese Ladungsträger zu bewegen, was dazu führt, dass das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Da die Träger träger Natur sind, ist die Erholung wellenförmig.

Elektromagnetische Kommunikation

Die Emission elektromagnetischer Wellen hat eine enorme Fernwirkung, da ihre Amplitude umgekehrt proportional zur Entfernung zur Quelle ist. Diese Methode der drahtlosen Kommunikation hat sich am weitesten verbreitet. Aber was sind elektromagnetische Wellen? Zunächst ist ein kurzer Ausflug in die Geschichte ihrer Entdeckung erforderlich.

Wie „entstanden“ elektromagnetische Wellen?

Alles begann im Jahr 1829, als der amerikanische Physiker Henry bei Experimenten mit Leydener Gefäßen Störungen elektrischer Entladungen entdeckte. Im Jahr 1832 schlug der Physiker Faraday die Existenz eines Prozesses wie elektromagnetischer Wellen vor. Maxwell stellte 1865 seine berühmten Gleichungen des Elektromagnetismus auf. Am Ende des 19. Jahrhunderts gab es viele erfolgreiche Versuche, drahtlose Kommunikation mithilfe elektrostatischer und elektromagnetischer Induktion herzustellen. Der berühmte Erfinder Edison entwickelte ein System, das es Eisenbahnpassagieren ermöglichte, Telegramme zu senden und zu empfangen, während der Zug fuhr. Im Jahr 1888 bewies G. Hertz mit einem Gerät namens Vibrator eindeutig, dass elektromagnetische Wellen auftreten. Hertz führte ein Experiment zur Übertragung eines elektromagnetischen Signals über eine Entfernung durch. Im Jahr 1890 erfand der Ingenieur und Physiker Branly aus Frankreich ein Gerät zur Aufzeichnung elektromagnetischer Strahlung. Später wurde dieses Gerät als „Funkleiter“ (Koherer) bezeichnet. In den Jahren 1891-1893 beschrieb Nikola Tesla die Grundprinzipien der Signalübertragung über große Entfernungen und patentierte eine Mastantenne, die eine Quelle elektromagnetischer Wellen war. Weitere Errungenschaften in der Erforschung von Wellen und der technischen Umsetzung ihrer Erzeugung und Anwendung gehören so berühmten Physikern und Erfindern wie Popov, Marconi, de More, Lodge, Muirhead und vielen anderen.

Das Konzept der „elektromagnetischen Welle“

Eine elektromagnetische Welle ist ein Phänomen, das sich mit einer bestimmten endlichen Geschwindigkeit im Raum ausbreitet und ein elektrisches und magnetisches Wechselfeld darstellt. Da magnetische und elektrische Felder untrennbar miteinander verbunden sind, bilden sie ein elektromagnetisches Feld. Wir können auch sagen, dass eine elektromagnetische Welle eine Störung des Feldes ist und dass sich während ihrer Ausbreitung die Energie des Magnetfelds in die Energie des elektrischen Felds umwandelt und umgekehrt, gemäß Maxwells Elektrodynamik. Äußerlich ähnelt dies der Ausbreitung jeder anderen Welle in jedem anderen Medium, es gibt jedoch erhebliche Unterschiede.

Was ist der Unterschied zwischen elektromagnetischen Wellen und anderen?

Die Energie elektromagnetischer Wellen breitet sich in einer ziemlich seltsamen Umgebung aus. Um diese Wellen mit anderen zu vergleichen, muss man verstehen, um welche Art von Ausbreitungsmedium es sich handelt. Es wird angenommen, dass der intraatomare Raum vom elektrischen Äther gefüllt ist – einem spezifischen Medium, das ein absolutes Dielektrikum ist. Alle Wellen zeigen bei ihrer Ausbreitung einen Übergang von kinetischer Energie in potentielle Energie und umgekehrt. Darüber hinaus ist das Maximum dieser Energien zeitlich und räumlich relativ zueinander um ein Viertel der gesamten Wellenperiode verschoben. Die durchschnittliche Wellenenergie, also die Summe aus potentieller und kinetischer Energie, ist ein konstanter Wert. Bei elektromagnetischen Wellen ist die Situation jedoch anders. Die Energien sowohl des magnetischen als auch des elektrischen Feldes erreichen gleichzeitig ihre Maximalwerte.

Wie entsteht eine elektromagnetische Welle?

Die Materie einer elektromagnetischen Welle ist ein elektrisches Feld (Äther). Das bewegte Feld ist strukturiert und besteht aus der Energie seiner Bewegung und der elektrischen Energie des Feldes selbst. Daher hängt die potentielle Energie der Welle mit der kinetischen Energie zusammen und ist in Phase. Die Natur einer elektromagnetischen Welle ist ein periodisches elektrisches Feld, das sich im Raum in einem Zustand translatorischer Bewegung befindet und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Bias-Ströme

Es gibt eine andere Möglichkeit zu erklären, was elektromagnetische Wellen sind. Es wird angenommen, dass bei der Bewegung inhomogener elektrischer Felder Verschiebungsströme im Äther entstehen. Sie entstehen natürlich nur für einen stationären Außenbeobachter. In dem Moment, in dem ein Parameter wie die elektrische Feldstärke sein Maximum erreicht, stoppt der Verschiebungsstrom an einem bestimmten Punkt im Raum. Dementsprechend ergibt sich bei minimaler Spannung das gegenteilige Bild. Dieser Ansatz verdeutlicht die Wellennatur elektromagnetischer Strahlung, da die Energie des elektrischen Feldes gegenüber den Verschiebungsströmen um ein Viertel der Periode verschoben ist. Dann kann man sagen, dass die elektrische Störung bzw. die Energie der Störung in die Energie des Verschiebungsstroms umgewandelt wird und umgekehrt und sich wellenförmig in einem dielektrischen Medium ausbreitet.