Ondas electromagnéticas, radiación electromagnética, propagación de ondas electromagnéticas.

En 1864, James Clerk Maxwell predijo la posibilidad de ondas electromagnéticas en el espacio. Hizo esta afirmación sobre la base de las conclusiones derivadas del análisis de todos los datos experimentales conocidos en ese momento sobre la electricidad y el magnetismo.

Maxwell combinó matemáticamente las leyes de la electrodinámica, conectando los fenómenos eléctricos y magnéticos, y así llegó a la conclusión de que los campos eléctricos y magnéticos, que cambian con el tiempo, se generan entre sí.

Inicialmente, hizo hincapié en el hecho de que la relación entre los fenómenos magnéticos y eléctricos no es simétrica e introdujo el término "campo eléctrico de remolino", ofreciendo una explicación propia, verdaderamente nueva, del fenómeno de la inducción electromagnética descubierto por Faraday: "cada cambio en el campo magnético campo conduce a la aparición en el espacio circundante de un campo eléctrico de vórtice con líneas de fuerza cerradas”.

Según Maxwell, la afirmación opuesta de que "un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético en el espacio circundante" también es cierta, pero esta afirmación inicialmente permaneció solo como una hipótesis.

Maxwell escribió un sistema de ecuaciones matemáticas que describen consistentemente las leyes de las transformaciones mutuas de los campos magnético y eléctrico, estas ecuaciones más tarde se convirtieron en las ecuaciones básicas de la electrodinámica y comenzaron a llamarse "ecuaciones de Maxwell" en honor al gran científico que escribió ellos abajo. La hipótesis de Maxwell, basada en las ecuaciones escritas, tiene varias conclusiones de suma importancia para la ciencia y la tecnología, las cuales se presentan a continuación.

Las ondas electromagnéticas existen

Pueden existir ondas electromagnéticas transversales en el espacio que se propagan con el tiempo. campo electromagnetico… El hecho de que las ondas sean transversales se demuestra por el hecho de que los vectores de la inducción magnética B y la intensidad del campo eléctrico E son mutuamente perpendiculares y ambos se encuentran en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda electromagnética.

Las ondas electromagnéticas se propagan a una velocidad finita

La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en una sustancia dada es finita y está determinada por las propiedades eléctricas y magnéticas de la sustancia a través de la cual se propaga la onda. La longitud de la onda sinusoidal λ en este caso está relacionada con la velocidad υ con una cierta relación exacta λ = υ / f y depende de la frecuencia f de las oscilaciones del campo. La velocidad c de una onda electromagnética en el vacío es una de las constantes físicas básicas: la velocidad de la luz en el vacío.

Debido a que Maxwell afirmó que la velocidad de propagación de una onda electromagnética era finita, esto creó una contradicción entre su hipótesis y la teoría de acción a largas distancias aceptada en ese momento, según la cual se suponía que la velocidad de propagación de las ondas era infinita. Por lo tanto, la teoría de Maxwell se llama la teoría de la acción de corto alcance.

Una onda electromagnética es un campo eléctrico y magnético que se transforman mutuamente.

En la onda electromagnética, la transformación del campo eléctrico y el campo magnético entre sí ocurre al mismo tiempo, por lo tanto, las densidades de volumen de la energía magnética y eléctrica son iguales entre sí. Por lo tanto, es cierto que los módulos de la La intensidad del campo eléctrico y la inducción del campo magnético están relacionadas entre sí en cualquier punto del espacio a través de la siguiente conexión:

Las ondas electromagnéticas transportan energía.

Una onda electromagnética en el proceso de su propagación crea un flujo de energía electromagnética, y si tenemos en cuenta el área en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda, entonces una cierta cantidad de energía electromagnética se moverá a través de ella en un poco tiempo. La densidad de flujo de energía electromagnética es la cantidad de energía transportada por una onda electromagnética a través de una superficie por unidad de área por unidad de tiempo. Al sustituir los valores de la velocidad, así como la energía magnética y eléctrica, es posible obtener una expresión para la densidad de flujo en términos de las cantidades E y B.

Vector de poynting — vector del flujo de energía de la onda

Dado que la dirección de propagación de la energía de las olas coincide con la dirección de la velocidad de propagación de la onda, el flujo de energía que se propaga en la onda electromagnética se puede establecer mediante un vector dirigido de la misma manera que la velocidad de propagación de la onda. Este vector se denomina «vector de Poynting» — en honor al físico británico Henry Poynting, quien en 1884 desarrolló la teoría de la propagación del flujo de energía de un campo electromagnético. La densidad de flujo de energía de las olas se mide en W/m2.

Las ondas electromagnéticas presionan contra cuerpos que las reflejan o las absorben

Cuando un campo eléctrico actúa sobre una sustancia, aparecen en ella pequeñas corrientes, que son el movimiento ordenado de partículas cargadas eléctricamente. Estas corrientes en el campo magnético de una onda electromagnética están sujetas a la acción de la fuerza Ampere, que se dirige profundamente en la sustancia. Como resultado, la fuerza de Ampere genera presión.

Este fenómeno fue posteriormente, en 1900, investigado y confirmado empíricamente por el físico ruso Pyotr Nikolayevich Lebedev, cuyo trabajo experimental fue muy importante para confirmar la teoría del electromagnetismo de Maxwell y su aceptación y aprobación en el futuro.

El hecho de que la onda electromagnética ejerza presión permite estimar la presencia de un impulso mecánico en el campo electromagnético, que puede expresarse por unidad de volumen por la densidad volumétrica de la energía electromagnética y la velocidad de propagación de la onda en el vacío:

Dado que el impulso está relacionado con el movimiento de la masa, es posible introducir un concepto como masa electromagnética, y luego, para una unidad de volumen, esta relación (de acuerdo con STR) asumirá el carácter de una ley universal de la naturaleza y será válida. para cualquier cuerpo material independientemente de la forma de la materia. Entonces, el campo electromagnético es similar a un cuerpo material: tiene energía W, masa m, cantidad de movimiento p y velocidad terminal v. Es decir, el campo electromagnético es una de las formas de materia que existen realmente en la naturaleza.

Confirmación final de la teoría de Maxwell

Por primera vez en 1888, Heinrich Hertz confirmó experimentalmente la teoría electromagnética de Maxwell. Demostró empíricamente la realidad de las ondas electromagnéticas y estudió sus propiedades, como la refracción y la absorción en varios medios, así como la reflexión de las ondas en las superficies metálicas.

Hertz mide la longitud de onda radiación electromagnética, y demostró que la velocidad de propagación de una onda electromagnética es igual a la velocidad de la luz. El trabajo experimental de Hertz fue el paso final hacia la aceptación de la teoría electromagnética de Maxwell. Siete años después, en 1895, el físico ruso Alexander Stepanovich Popov utilizó ondas electromagnéticas para crear comunicación inalámbrica.

Las ondas electromagnéticas son excitadas solo por cargas en movimiento acelerado

En los circuitos de corriente continua las cargas se mueven a una velocidad constante y las ondas electromagnéticas en este caso no se emiten al espacio, para que haya radiación es necesario utilizar una antena en la que las corrientes alternas, es decir corrientes que rápidamente cambiaron su dirección, se emocionaron.

En su forma más simple, un dipolo eléctrico de tamaño pequeño es adecuado para radiar ondas electromagnéticas donde el momento dipolar cambiaría rápidamente con el tiempo. Tal dipolo se llama hoy "dipolo hertziano", cuyo tamaño es varias veces más pequeño que la longitud de onda que emite.

Cuando se emite desde un dipolo hertziano, el flujo máximo de energía electromagnética cae en un plano perpendicular al eje del dipolo. No hay radiación de energía electromagnética a lo largo del eje del dipolo. En los experimentos más importantes de Hertz, se utilizaron dipolos elementales para emitir y recibir ondas electromagnéticas, demostrando la existencia de ondas electromagnéticas.