電磁波、電磁放射、電磁波の伝播

1864 年、ジェームズ クラーク マクスウェルは宇宙に電磁波が存在する可能性を予測しました。彼は、電気と磁気に関する当時知られていたすべての実験データの分析から得られた結論に基づいてこの主張を行いました。

マクスウェルは電気力学の法則を数学的に組み合わせて電気現象と磁気現象を結び付け、時間とともに変化する電場と磁場が相互に生成するという結論に達しました。

当初、彼は磁気現象と電気現象の関係が対称的ではないという事実を強調し、「渦電場」という用語を導入し、ファラデーが発見した電磁誘導現象について彼自身の真に新しい説明を提供しました。磁場は、周囲の空間に閉じた力線を持つ渦電場の出現をもたらします。」

マクスウェルによれば、「変化する電界は周囲の空間に磁界を生成する」という反対の命題もまた真であるが、この命題は当初は仮説にすぎなかった。

マクスウェルは、磁場の相互変換の法則を一貫して記述する一連の数学方程式を書き留め、これらの方程式は後に電気力学の基本方程式となり、偉大な科学者に敬意を表して「マクスウェルの方程式」と呼ばれるようになりました。彼らをダウンさせます。マクスウェルの仮説は、書かれた方程式に基づいて、科学と技術にとって非常に重要ないくつかの結論を導き出します。以下にそれらを示します。

電磁波は存在します

横電磁波は空間に存在し、時間の経過とともに伝播する可能性があります 電磁場… 波が横方向であるという事実は、磁気誘導 B と電界強度 E のベクトルが相互に垂直であり、両方とも電磁波の伝播方向に垂直な平面内にあるという事実によって示されます。

電磁波は有限の速度で伝播します

特定の物質内での電磁波の伝播速度は有限であり、波が伝播する物質の電気的および磁気的特性によって決まります。この場合の正弦波の長さ λ は、特定の正確な比 λ = υ / f で速度 υ に関係し、場の振動の周波数 f に依存します。真空中の電磁波の速度 c は、基本的な物理定数の 1 つ、つまり真空中の光の速度です。

マクスウェルは電磁波の伝播速度は有限であると述べたため、彼の仮説と、波の伝播速度は無限であると考えられていた当時受け入れられていた長距離での作用理論との間に矛盾が生じました。したがって、マクスウェルの理論は短距離作用理論と呼ばれます。

電磁波は、相互に変換する電場と磁場です。

電磁波では、電界と磁界の相互変換が同時に起こるため、磁気エネルギーと電気エネルギーの体積密度は等しくなります。電界強度と磁界誘導は、空間内の任意の点において、次の関係を通じて相互に関連付けられます。

電磁波はエネルギーを運びます

電磁波は伝播の過程で電磁エネルギーの流れを生み出し、波の伝播方向に垂直な面内の面積を考慮すると、一定量の電磁エネルギーがその中を一定の速度で移動します。短時間。電磁エネルギー束密度は、単位面積当たり、単位時間当たり、表面全体にわたって電磁波によって運ばれるエネルギーの量です。速度、磁気エネルギー、電気エネルギーの値を代入すると、量 E と B で磁束密度の式を得ることができます。

ポインティング ベクトル — 波のエネルギー流のベクトル

波動エネルギーの伝播方向は波動伝播速度の方向と一致するため、電磁波中を伝播するエネルギー流は波動伝播速度と同じ向きのベクトルを用いて設定することができる。このベクトルは、1884 年に電磁場のエネルギー流の伝播理論を開発した英国の物理学者ヘンリー ポインティングに敬意を表して、«ポインティング ベクトル» と呼ばれています。波のエネルギー束密度は W/m2 で測定されます。

電磁波は物体に押し付けられ、反射または吸収されます。

電場が物質に作用すると、その中に小さな電流が発生します。これは、荷電粒子の規則正しい運動です。電磁波の磁場中のこれらの電流はアンペア力の作用を受け、物質の奥深くに向けられます。その結果、アンペールの力により圧力が発生します。

この現象はその後、1900 年にロシアの物理学者ピョートル・ニコラエヴィチ・レベデフによって調査され、経験的に確認されました。彼の実験研究は、マクスウェルの電磁気学理論と将来のその受け入れと承認を確認する上で非常に重要でした。

電磁波が圧力を及ぼすという事実により、電磁場における機械的衝撃の存在を推定することができます。これは、電磁エネルギーの体積密度と真空中での波の伝播速度によって単位体積あたりで表すことができます。

運動量は質量の動きに関係しているため、電磁質量などの概念を導入することが可能です。そうすれば、単位体積に対して、この比 (STR に従って) は普遍的な自然法則の性質を帯び、有効になります。物質の形態に関係なく、あらゆる物質体に適用されます。したがって、電磁場は物質体に似ており、エネルギー W、質量 m、運動量 p、終端速度 v を持ちます。つまり、電磁場は自然界に実際に存在する物質の形態の一つです。

マクスウェル理論の最終確認

1888 年に初めて、ハインリヒ ヘルツはマクスウェルの電磁気理論を実験的に確認しました。彼は電磁波の実在性を経験的に証明し、さまざまな媒体における屈折や吸収、金属表面からの波の反射などの電磁波の特性を研究しました。

ヘルツは波長を測定します 電磁放射、電磁波の伝播速度が光速に等しいことを示しました。ハーツの実験研究は、マクスウェルの電磁気理論の受容に向けた最終ステップでした。 7 年後の 1895 年、ロシアの物理学者アレクサンドル ステパノヴィッチ ポポフは電磁波を使用して無線通信を作成しました。

電磁波は加速された移動電荷によってのみ励起されます

直流回路では電荷は一定の速度で移動し、この場合の電磁波は空間に放射されませんが、放射するためには交流、つまり電流が流れるアンテナを使用する必要があります。すぐに方向を変える人は興奮するでしょう。

最も単純な形式では、小さなサイズの電気双極子は、双極子モーメントが時間とともに急速に変化する電磁波の放射に適しています。このような双極子は現在「ヘルツ双極子」と呼ばれており、そのサイズは放射する波長の数分の1です。

ヘルツ双極子から放出されるとき、電磁エネルギーの最大束は双極子の軸に垂直な平面上に落ちます。双極子の軸に沿った電磁エネルギーの放射はありません。ハーツの最も重要な実験では、基本双極子が電磁波の発信と受信の両方に使用され、電磁波の存在が証明されました。