تردد التذبذب للموجة الكهرومغناطيسية. الموجات الكهرومغناطيسية - الخصائص والخصائص

تنزيل من Depositfiles

3.2.2 انتشار الموجات الكهرومغناطيسية

من بين المجالات الكهرومغناطيسية بشكل عام ، الناتجة عن الشحنات الكهربائية وحركتها ، من المعتاد الإشارة إلى الإشعاع الفعلي باعتباره ذلك الجزء من الحقول الكهرومغناطيسية المتناوبة القادرة على الانتشار إلى أبعد ما تكون عن مصادرها - شحنات متحركة ، تتحلل بشكل أبطأ مع المسافة . هذا الإشعاع يسمى الموجات الكهرومغناطيسية.

الموجات الكهرومغناطيسية قادرة على الانتشار في جميع البيئات تقريبًا. في الفراغ (مساحة خالية من المادة والأجسام التي تمتص أو تصدر الموجات الكهرومغناطيسية) ، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية دون التخميد إلى مسافات كبيرة بشكل عشوائي ، ولكنها في بعض الحالات تنتشر جيدًا في مساحة مليئة بالمادة (تغير سلوكها قليلاً).

لقياس المسافات ، يتم استخدام الموجات الكهرومغناطيسية لجميع النطاقات الموضحة في الجدول تقريبًا. 3.1 ، باستثناء الأشعة فوق البنفسجية في المدى البصري وموجات الراديو القصيرة والإشعاع المؤين.

عند قياس المسافات باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية ، يتأثر النطاق والدقة بشدة بظروف الانتشار. يُفهم هذا على أنه مجموعة كاملة من العوامل: خصائص الموجات نفسها ، وطبيعة السطح الأساسي ، والوقت من اليوم ، وظروف الأرصاد الجوية للغلاف الجوي ، وما إلى ذلك.

تنتشر موجات الضوء وموجات VHF في خط مستقيم تقريبًا.

الانحراف الموجات السنتيمترية المستخدمة في محددات المدى الراديوي وأنظمة VHF صغيرة جدًا لدرجة أنها لا تؤدي إلى الانحناء حول سطح الأرض. مثل هذا الانحناء موجود فقط بسبب الانكسار .

(الانحراف - هذه ظاهرة الانحراف عن قوانين البصريات الهندسية أثناء انتشار الموجة. على وجه الخصوص ، هذا هو الانحراف عن استقامة انتشار شعاع الضوء. الانكسار أو الانكسار - هذا تغيير في اتجاه انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يحدث عند السطح البيني بين وسيطين شفافين لهذه الموجات أو في الجزء الأكبر من وسيط ذي خصائص متغيرة باستمرار).

النطاق الأقصى لأنظمة VHF محدود بالحدود خط البصر ... تعتمد حدود خط البصر على السطح المادي للأرض على ارتفاع الهوائيات والتضاريس. إذا أخذنا في الاعتبار فقط انحناء الأرض الكروية (بدون ارتياح) وانكسار الإهمال ، فإن مسافة خط الرؤية المحددة بين نقطتين يتم تحديدها من خلال ارتفاعات النقاط
و
بالطريقة الآتية:

حيث يتم التعبير عنها بالكيلومترات والارتفاعات بالأمتار.

مع الأخذ في الاعتبار الانحناء الانكساري للمسار (مع الانكسار الطبيعي) ، يتم استبدال المعامل 3.57 في المعادلة (3.29) بـ 4.12 لموجات الراديو ، و 3.83 للموجات الضوئية ، أي يزيد الانكسار مسافة خط البصر بحوالي 15٪ للموجات الراديوية وبنسبة 7٪ للموجات الضوئية.

إذا تم ، على سبيل المثال ، تركيب الهوائي محدد المدى والعاكس على حامل ثلاثي خشبي عادي ، أي
، فإن مسافة خط البصر المحسوبة بالصيغة (3.29) ستكون
... إذا تم رفع الهوائيات إلى ارتفاع
، عندها ستكون مسافة خط البصر
.

بالنسبة للموجات الضوئية ، بالإضافة إلى خط الرؤية ، يجب أن يكون لها أيضًا الرؤية البصرية (الشفافية) .

انتشار الموجات الراديوية الطويلة والمتوسطة له سمات محددة. أهم ميزة هي الانعكاس من الطبقات العليا عالية التأين من الغلاف الجوي ، الواقعة على ارتفاعات تزيد عن 60 كم.

يؤدي هذا إلى حقيقة أنه ليس فقط الموجة المباشرة التي تنتشر على طول سطح الأرض (الموجة السطحية) ، ولكن أيضًا الموجة المنعكسة من الأيونوسفير - ما يسمى بالموجة الأيونوسفيرية (الشكل 3.11) يمكن أن تصل إلى نقطة الاستقبال. في المنطقة التي تلتقي فيها الموجات السطحية والفضائية ، يحدث تداخلها ، ونتيجة لذلك تتلقى الموجة السطحية التي تنقل الإشارة المفيدة تشوهات في الاتساع والطور ، وإذا كان جهاز الاستقبال في مثل هذه المنطقة ، فقد تكون القياسات صعبة للغاية و غالبا مستحيل.

يمكن أن تنتشر الموجة المكانية ، المنعكسة من طبقة الأيونوسفير ، على مسافات أكبر بكثير من الموجة السطحية ، حيث يخلق شكل الأرض بارتياحها عقبات. بسبب الانعراج ، يمكن أن تنحني هذه العوائق حولها بواسطة الموجة السطحية ، ويعتمد مدى انتشارها على خصائص امتصاص سطح الأرض. بالنسبة لموجة السماء ، يتم امتصاصها جزئيًا بواسطة طبقة الأيونوسفير وسطح الأرض مع انعكاسات متعددة من طبقات الغلاف الأيوني. يعتمد الامتصاص من سطح الأرض على طول الموجة واستقطابها والخصائص الكهربائية للسطح الأساسي المحدد.

يتم استخدام خاصية الانتشار بعيد المدى للموجة الأيونوسفيرية ذات الانعكاسات المتعددة من الأيونوسفير بنجاح في الاتصالات الراديوية والبث والملاحة الراديوية لمسافات طويلة. لكن للأغراض الجيوديسية الراديوية استخدام الموجة السماوية مستحيل، لأن هندسة مرورها لا تخضع لمحاسبة صارمة. لذلك للقياسات الدقيقة ، يجب استخدام الموجة السطحية فقط .

بناء على ما سبق، لأغراض القياسات الجيوديسية ، تكون الموجات ذات النطاق البصري والمدى المتردد مناسبًا فقط .

تُستخدم محددات المدى الجيوديسية لنطاق الطول الموجي البصري بشكل أساسي لقياس المسافات التي تصل إلى 10 كم.

تُستخدم محددات المدى الراديوي الجيوديسي لقياس مسافات تصل إلى عدة عشرات من الكيلومترات.

ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، توقفت جميع الشركات المصنعة لأجهزة تحديد المدى الجيوديسي تقريبًا عن إنتاج محددات المدى الراديوي ، وركزت جهودها على محددات المدى البصري أو المحطات الإجمالية الإلكترونية ، والتي يعد جهاز تحديد المدى جزءًا لا يتجزأ منها. يفسر هذا الموقف حقيقة أنه في ممارسة العمل الجيوديسي ، أصبحت التقنيات التي توفرها أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية واسعة الانتشار ، وبفضل ذلك أصبح من الممكن تحديد إحداثيات النقاط على سطح الأرض بدقة. ولكن تم تصميم أجهزة تحديد المدى اللاسلكية لهذه المهمة على وجه التحديد. ثم تم استخدام المسافة بين النقاط المقاسة باستخدام محددات المدى الراديوي لحساب إحداثيات النقطة المراد تحديدها. يتيح استخدام مستقبلات GNSS استبعاد العملية الوسيطة لقياس المسافة بين النقاط ، والحصول على إحداثيات النقطة التي يتم تحديدها على الفور.

الموجات الكهرومغناطيسية هي انتشار المجالات الكهرومغناطيسية في المكان والزمان.

كما هو مذكور أعلاه ، فإن وجود الموجات الكهرومغناطيسية تم التنبؤ به نظريًا من قبل الفيزيائي الإنجليزي العظيم جيه ماكسويل في عام 1864. قام بتحليل جميع قوانين الديناميكا الكهربائية المعروفة في ذلك الوقت وحاول تطبيقها على المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت. قدم مفهوم المجال الكهربائي الدوامة إلى الفيزياء واقترح تفسيرًا جديدًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي ، اكتشفه فاراداي في عام 1831: أي تغيير في المجال المغناطيسي يولد مجالًا كهربائيًا دوامة في الفضاء المحيط ، خطوط قوة التي هي مغلقة.

طرح فرضية حول وجود العملية العكسية: المجال الكهربائي المتغير بمرور الوقت يولد مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط. كان ماكسويل أول من وصف ديناميكيات شكل جديد من المادة - المجال الكهرومغناطيسي ، واشتق نظام المعادلات (معادلات ماكسويل) ، الذي يربط خصائص المجال الكهرومغناطيسي بمصادره - الشحنات الكهربائية والتيارات. في الموجة الكهرومغناطيسية ، تحدث تحولات متبادلة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية. يوضح الشكل 2 أ ، ب التحول المتبادل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

الشكل 2 - التحول المتبادل للمجالات الكهربائية والمغناطيسية: أ) قانون الحث الكهرومغناطيسي في تفسير ماكسويل ؛ ب) فرضية ماكسويل. يولد المجال الكهربائي المتغير مجالًا مغناطيسيًا

يعتمد تقسيم المجال الكهرومغناطيسي إلى كهربائي ومغناطيسي على اختيار الإطار المرجعي. في الواقع ، حول الشحنات الموجودة في إطار مرجعي واحد ، لا يوجد سوى مجال كهربائي ؛ ومع ذلك ، فإن نفس الشحنات ستنتقل بالنسبة إلى إطار مرجعي آخر وتولد في هذا الإطار المرجعي ، بالإضافة إلى المجال الكهربائي ، أيضًا مجالًا مغناطيسيًا. وهكذا ، ربطت نظرية ماكسويل بين الظواهر الكهربائية والمغناطيسية.

إذا قمت بإثارة مجال كهربائي أو مغناطيسي متناوب بمساعدة الشحنات المتذبذبة ، فإن سلسلة من التحولات المتبادلة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية ، تنتشر من نقطة إلى أخرى ، تظهر في الفضاء المحيط. كلا المجالين عبارة عن دوامة والمتجهات وتقع في مستويات متعامدة بشكل متبادل. تظهر عملية انتشار المجال الكهرومغناطيسي بشكل تخطيطي في الشكل 3. هذه العملية ، التي تكون دورية في الزمان والمكان ، هي موجة كهرومغناطيسية.

الشكل 3 - عملية انتشار المجال الكهرومغناطيسي

كانت هذه الفرضية مجرد افتراض نظري لم يكن له تأكيد تجريبي ، ومع ذلك ، على أساسه ، كان ماكسويل قادرًا على كتابة نظام ثابت من المعادلات يصف التحولات المتبادلة للحقول الكهربائية والمغناطيسية ، أي نظام المعادلات الكهرومغناطيسية. حقل.

لذلك ، يتبع نظرية ماكسويل عددًا من الاستنتاجات المهمة - الخصائص الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية.

يوجد موجات كهرومغناطيسية اي مجال كهرومغناطيسي ينتشر في المكان والزمان.

في الطبيعة ، تعمل الظواهر الكهربائية والمغناطيسية كوجهين لعملية واحدة.

تنبعث الموجات الكهرومغناطيسية من الشحنات المتذبذبة. وجود التسارع هو الشرط الأساسي لانبعاث الموجات الكهرومغناطيسية ، أي

• - أي تغيير في المجال المغناطيسي يخلق مجالًا كهربائيًا دواميًا في الفضاء المحيط (الشكل 2 أ).
• - أي تغيير في المجال الكهربائي يثير مجالًا مغناطيسيًا دواميًا في الفضاء المحيط ، وتقع خطوط الاستقراء في مستوى متعامد مع خطوط شدة المجال الكهربائي المتناوب ، ويغطيها (الشكل 2 ب).

تشكل خطوط الحث للمجال المغناطيسي الناشئ "لولبًا صحيحًا" مع المتجه. الموجات الكهرومغناطيسية مستعرضة - متجهات ومتعامدة مع بعضها البعض وتقع في مستوى عمودي على اتجاه انتشار الموجة (الشكل 4).

الشكل 4 - الموجات الكهرومغناطيسية المستعرضة

التغييرات الدورية في المجال الكهربائي (متجه الشدة E) تولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا (متجه الحث B) ، والذي بدوره يولد مجالًا كهربائيًا متغيرًا. تحدث تذبذبات المتجهات E و B في مستويات متعامدة بشكل متبادل وعمودي على خط انتشار الموجة (متجه السرعة) وتتزامن في الطور عند أي نقطة. يتم إغلاق خطوط القوة للمجالين الكهربائي والمغناطيسي في الموجة الكهرومغناطيسية. هذه الحقول تسمى دوامة.

تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في المادة بسرعة محدودة ، وهذا يؤكد مرة أخرى صحة نظرية الفعل قصير المدى.

كان استنتاج ماكسويل حول السرعة المحدودة لانتشار الموجات الكهرومغناطيسية متناقضًا مع نظرية الفعل بعيد المدى المعتمدة في ذلك الوقت ، والتي يفترض فيها أن سرعة انتشار المجالات الكهربائية والمغناطيسية كبيرة بشكل لا نهائي. لذلك ، تسمى نظرية ماكسويل نظرية العمل قصير المدى.

يمكن أن تنتشر مثل هذه الموجات ليس فقط في الغازات والسوائل والمواد الصلبة ، ولكن أيضًا في الفراغ.

سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ ج = 300000 كم / ث. تعد سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ من الثوابت الفيزيائية الأساسية.

إن انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في العازل الكهربائي هو امتصاص مستمر وإعادة انبعاث للطاقة الكهرومغناطيسية بواسطة الإلكترونات وأيونات المادة ، والتي تخضع لتذبذبات قسرية في المجال الكهربائي المتناوب للموجة. في هذه الحالة ، تقل سرعة الموجة في العازل.

الموجات الكهرومغناطيسية تحمل الطاقة. عندما تنتشر الموجات ، يحدث تدفق للطاقة الكهرومغناطيسية. إذا حددت المنطقة S (الشكل 4) ، الموجهة عموديًا على اتجاه انتشار الموجة ، فعندئذٍ في وقت قصير Дt الطاقة Д سوف تتدفق عبر المنطقة المساوية لـ

ДWem = (wэ + wм) хSДt.

عند المرور من وسيط إلى آخر ، لا يتغير تردد الموجة.

يمكن للمادة أن تمتص الموجات الكهرومغناطيسية. هذا بسبب امتصاص الطنين للطاقة بواسطة جزيئات المادة المشحونة. إذا كان التردد الطبيعي لتذبذبات الجسيمات العازلة يختلف اختلافًا كبيرًا عن تردد الموجة الكهرومغناطيسية ، يحدث الامتصاص بشكل ضعيف ، ويصبح الوسط شفافًا للموجة الكهرومغناطيسية.

للوصول إلى الواجهة بين وسيطين ، ينعكس جزء من الموجة ، ويمر جزء إلى وسط آخر ينكسر. إذا كان الوسيط الثاني معدنًا ، فإن الموجة التي مرت إلى الوسط الثاني تتحلل بسرعة ، وتنعكس معظم الطاقة (خاصة للتذبذبات منخفضة التردد) في الوسط الأول (المعادن غير شفافة للموجات الكهرومغناطيسية).

يمكن للموجات الكهرومغناطيسية ، المنتشرة في الوسائط ، مثل أي موجات أخرى ، أن تعاني من الانكسار والانعكاس عند السطح البيني بين الوسائط والتشتت والامتصاص والتداخل ؛ عند الانتشار في وسائط غير متجانسة ، لوحظ حيود الموجات وتشتت الموجات وظواهر أخرى.

يترتب على نظرية ماكسويل أن الموجات الكهرومغناطيسية يجب أن تمارس ضغطًا على جسم ماص أو عاكس. يفسر ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي بحقيقة أنه تحت تأثير المجال الكهربائي للموجة ، تنشأ تيارات ضعيفة في المادة ، أي الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة. يتم التأثير على هذه التيارات بواسطة قوة الأمبير من جانب المجال المغناطيسي للموجة ، الموجهة إلى سمك المادة. هذه القوة تخلق الضغط الناتج. عادة ما يكون ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي ضئيلًا. على سبيل المثال ، يبلغ ضغط الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض على سطح يمتص تمامًا حوالي 5 ميكرو باسكال.

تم إجراء التجارب الأولى لتحديد ضغط الإشعاع على الأجسام العاكسة والامتصاصية ، والتي أكدت خاتمة نظرية ماكسويل ، من قبل الفيزيائي المتميز بجامعة موسكو P.N. ليبيديف في عام 1900. تطلب اكتشاف مثل هذا التأثير الصغير منه براعة ومهارة غير عادية في إعداد وإجراء تجربة. في عام 1900 كان قادرًا على قياس الضغط الخفيف على المواد الصلبة ، وفي عام 1910 - على الغازات. الجزء الرئيسي من P.I. لقياس ضغط الضوء ، كان ليبيديف مكونًا من أقراص ضوئية قطرها 5 مم معلقة بخيط مرن (الشكل 5) داخل وعاء مفرغ.

الشكل 5 - تجربة P.I. ليبيديفا

تم تصنيع الأقراص من مجموعة متنوعة من المعادن ويمكن استبدالها أثناء التجارب. تم توجيه الضوء من قوس كهربائي قوي إلى الأقراص. نتيجة للتعرض للضوء على الأقراص ، التوى الخيط وانحرفت الأقراص. نتائج تجارب P.I. كان ليبيديف متوافقًا تمامًا مع النظرية الكهرومغناطيسية لماكسويل وكان ذا أهمية كبيرة للموافقة عليها.

يسمح لنا وجود ضغط الموجات الكهرومغناطيسية باستنتاج أن الدافع الميكانيكي متأصل في المجال الكهرومغناطيسي ، وهذه العلاقة بين كتلة وطاقة المجال الكهرومغناطيسي في وحدة حجم هي قانون عالمي للطبيعة. وفقًا لنظرية النسبية الخاصة ، فهي صحيحة لأي أجسام ، بغض النظر عن طبيعتها وبنيتها الداخلية.

نظرًا لأن ضغط الموجة الضوئية صغير جدًا ، فإنها لا تلعب دورًا مهمًا في الظواهر التي نواجهها في الحياة اليومية. لكن في الفضاء والأنظمة المجهرية المقابلة في المقياس ، يزداد دور هذا التأثير بشكل حاد. وهكذا ، فإن جاذبية الطبقات الخارجية لمادة كل نجم إلى المركز تتم موازنتها بقوة ، والتي تساهم فيها بشكل كبير ضغط الضوء القادم من أعماق النجم إلى الخارج. في العالم المصغر ، يتجلى ضغط الضوء ، على سبيل المثال ، في ظاهرة الارتداد الخفيف للذرة. يتم اختباره بواسطة ذرة متحمسة عندما ينبعث منها الضوء.

يلعب الضغط الخفيف دورًا مهمًا في الظواهر الفيزيائية الفلكية ، ولا سيما في تكوين ذيول المذنبات والنجوم وما إلى ذلك. يصل ضغط الضوء إلى قيمة كبيرة عند نقاط التركيز لإشعاع مولدات الضوء الكمومية القوية (الليزر). وبالتالي ، فإن ضغط إشعاع الليزر المركّز على سطح لوحة معدنية رفيعة يمكن أن يؤدي إلى انهيارها ، أي ظهور ثقب في اللوحة. وبالتالي ، فإن المجال الكهرومغناطيسي له جميع خصائص الأجسام المادية - الطاقة ، وسرعة الانتشار المحدودة ، والزخم ، والكتلة. يشير هذا إلى أن المجال الكهرومغناطيسي هو أحد أشكال وجود المادة.

يعد اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية مثالاً رائعًا على تفاعل التجربة والنظرية. إنه يوضح كيف جمعت الفيزياء على ما يبدو خصائص مختلفة تمامًا - الكهرباء والمغناطيسية - كاشفة عن جوانب مختلفة من نفس الظاهرة الفيزيائية - التفاعل الكهرومغناطيسي. اليوم هو واحد من أربعة تفاعلات فيزيائية أساسية معروفة ، والتي تشمل أيضًا التفاعلات النووية القوية والضعيفة والجاذبية. لقد تم بالفعل بناء نظرية التفاعل الكهروضعيف ، والتي تصف ، من وجهة نظر موحدة ، القوى الكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة. هناك أيضًا النظرية الموحدة التالية - الديناميكا اللونية الكمومية - التي تغطي الكهروضعيف والتفاعلات القوية ، لكن دقتها أقل نوعًا ما. يصف الكلالتفاعلات الأساسية من موقع موحد لم تنجح بعد ، على الرغم من إجراء بحث مكثف في هذا الاتجاه في إطار مجالات الفيزياء مثل نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية.

تم توقع الموجات الكهرومغناطيسية نظريًا من قبل الفيزيائي الإنجليزي العظيم جيمس كلارك ماكسويل (ربما لأول مرة في عام 1862 في العمل "حول خطوط القوة المادية" ، على الرغم من نشر وصف مفصل للنظرية في عام 1867). لقد حاول بجد وباحترام كبير أن يترجم إلى لغة رياضية صارمة الصور الساذجة قليلاً لمايكل فاراداي الذي يصف الظواهر الكهربائية والمغناطيسية ، بالإضافة إلى نتائج علماء آخرين. بعد أن أمر ماكسويل بجميع الظواهر الكهربائية والمغناطيسية بنفس الطريقة ، اكتشف عددًا من التناقضات والافتقار إلى التناظر. وفقًا لقانون فاراداي ، تولد الحقول المغناطيسية المتناوبة مجالات كهربائية. لكن لم يُعرف ما إذا كانت الحقول الكهربائية المتناوبة مغناطيسية. تمكن ماكسويل من التخلص من التناقض واستعادة تناظر المجالين الكهربائي والمغناطيسي من خلال إدخال مصطلح إضافي في المعادلات ، والذي يصف حدوث مجال مغناطيسي عند تغيير المجال الكهربائي. بحلول ذلك الوقت ، وبفضل تجارب Oersted ، كان معروفًا بالفعل أن التيار المباشر يخلق مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا حول الموصل. يصف المصطلح الجديد مصدرًا مختلفًا للمجال المغناطيسي ، ولكن يمكن تخيله على أنه تيار كهربائي وهمي ، والذي سماه ماكسويل تيار التحيزلتمييزه عن التيار المعتاد في الموصلات والإلكتروليتات - تيار التوصيل. نتيجة لذلك ، اتضح أن الحقول المغناطيسية المتناوبة تولد مجالات كهربائية ، والمجالات الكهربائية المتناوبة - مغناطيسية. ثم أدرك ماكسويل أنه في مثل هذه الحزمة ، يمكن فصل المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة عن الموصلات التي تولدها وتتحرك عبر الفراغ بسرعة معينة ، ولكن عالية جدًا. لقد حسب هذه السرعة ، واتضح أنها كانت حوالي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية.

صدم ماكسويل بهذه النتيجة ، يكتب إلى ويليام طومسون (اللورد كلفن ، الذي قدم على وجه الخصوص مقياس درجة الحرارة المطلق): "سرعة تذبذبات الموجات المستعرضة في وسطنا الافتراضي ، محسوبة من التجارب الكهرومغناطيسية لكولراوش ويبر ، تمامًا يتزامن مع سرعة الضوء المحسوبة من تجارب Fizeau الضوئية التي بالكاد يمكننا رفض الاستنتاج القائل يتكون الضوء من اهتزازات عرضية من نفس الوسط الذي يسبب ظواهر كهربائية ومغناطيسية". ومزيدًا من الرسالة: "حصلت على معادلاتي ، أعيش في المقاطعات ولا أعرف عن قرب سرعة انتشار التأثيرات المغناطيسية التي وجدتها من سرعة الضوء ، لذلك أعتقد أن لدي كل الأسباب للنظر في الوسائط المغناطيسية والمتألقة كواحد ونفس الوسط ... "

تتجاوز معادلات ماكسويل نطاق مقرر الفيزياء المدرسية إلى حد بعيد ، لكنها جميلة جدًا ومقتضبة بحيث يجب وضعها في مكان بارز في مكتب الفيزياء ، لأن معظم ظواهر الطبيعة المهمة للإنسان يمكن وصفها بـ فقط بضعة أسطر من هذه المعادلات. هذه هي الطريقة التي يتم بها ضغط المعلومات عند دمج الحقائق غير المتشابهة سابقًا. فيما يلي أحد أنواع معادلات ماكسويل في التمثيل التفاضلي. معجب.

أود أن أؤكد أنه من حسابات ماكسويل ، تم الحصول على نتيجة غير مشجعة: تذبذبات المجالين الكهربائي والمغناطيسي عرضية (وهو ما أكده دائمًا هو نفسه). وتنتشر الاهتزازات المستعرضة فقط في المواد الصلبة ، ولكن ليس في السوائل والغازات. بحلول ذلك الوقت ، تم قياس سرعة الاهتزازات المستعرضة في المواد الصلبة (سرعة الصوت ببساطة) كلما زادت ، تقريبًا ، كلما كان الوسط أكثر صلابة (كلما زاد معامل يونغ وانخفاض الكثافة) ويمكن أن تصل إلى عدة كيلومترات في الثانية. كانت سرعة الموجة الكهرومغناطيسية المستعرضة أعلى بمئة ألف مرة من سرعة الصوت في المواد الصلبة. وتجدر الإشارة إلى أن خاصية الصلابة تدخل في معادلة سرعة الصوت في مادة صلبة عند الجذر. اتضح أن الوسط الذي تنتقل من خلاله الموجات الكهرومغناطيسية (والضوء) له خصائص مرنة وحشية. نشأ سؤال شديد الصعوبة: "كيف تتحرك الأجسام الأخرى عبر مثل هذا الوسط الصلب ولا تشعر به؟" كان يُطلق على الوسط الافتراضي اسم الأثير ، وينسب إليه في نفس الوقت خصائص غريبة ، وبشكل عام ، متنافية - مرونة هائلة وخفة غير عادية.

تسبب عمل ماكسويل في صدمة بين العلماء المعاصرين. كتب فاراداي نفسه بدهشة: "في البداية كنت خائفًا حتى عندما رأيت مثل هذه القوة الرياضية تنطبق على السؤال ، لكن بعد ذلك فوجئت برؤية السؤال يتعامل معه بشكل جيد." على الرغم من حقيقة أن آراء ماكسويل قلبت جميع الأفكار حول انتشار موجات القص والأمواج بشكل عام المعروفة في ذلك الوقت ، فقد فهم العلماء الحكيمون أن مصادفة سرعة الضوء والموجات الكهرومغناطيسية هي نتيجة أساسية ، والتي تقول إنها هنا أن الفيزياء سيكون لها اختراق كبير.

لسوء الحظ ، توفي ماكسويل مبكرًا ولم يعش ليرى تأكيدًا تجريبيًا موثوقًا لحساباته. تغير الرأي العلمي الدولي نتيجة لتجارب هاينريش هيرتز ، الذي أظهر بعد 20 عامًا (1886-1889) توليد واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية في سلسلة من التجارب. لم يحصل هيرتز على النتيجة الصحيحة في هدوء المختبر فحسب ، بل دافع بحماس وبلا هوادة عن آراء ماكسويل. علاوة على ذلك ، لم يقصر نفسه على الدليل التجريبي لوجود الموجات الكهرومغناطيسية ، بل قام أيضًا بالتحقق من خصائصها الأساسية (الانعكاس من المرايا ، الانكسار في المنشور ، الانعراج ، التداخل ، إلخ) ، موضحًا الهوية الكاملة للموجات الكهرومغناطيسية مع الضوء.

من الغريب أنه قبل سبع سنوات من هيرتز ، في عام 1879 ، أظهر الفيزيائي الإنجليزي ديفيد إدوارد هيوز (هيوز - دي هيوز) أيضًا للعلماء البارزين الآخرين (من بينهم أيضًا الفيزيائي والرياضيات اللامع جورج غابرييل ستوكس) تأثير التكاثر من الموجات الكهرومغناطيسية في الهواء. نتيجة للمناقشات ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أنهم يرون ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي لفاراداي. كان هيوز منزعجًا ، ولم يصدق نفسه ، ولم ينشر النتائج إلا في عام 1899 ، عندما أصبحت نظرية ماكسويل-هيرتز مقبولة بشكل عام. يوضح هذا المثال أنه في العلم ، لا يقل أهمية النشر والترويج المستمر للنتائج التي يتم الحصول عليها عن النتيجة العلمية نفسها.

لخص هاينريش هيرتز نتائج تجاربه: "إن التجارب الموصوفة ، كما يبدو لي على الأقل ، تزيل الشكوك حول هوية الضوء والإشعاع الحراري وحركة الموجات الكهروديناميكية".

الفصل 1

المعلمات الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية

من السهل تخيل ماهية الموجة الكهرومغناطيسية باستخدام المثال التالي. إذا رميت حصاة على سطح الماء ، تتشكل على السطح موجات متباينة في دوائر. ينتقلون من مصدر أصلهم (اضطراب) بسرعة معينة من الانتشار. بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية ، الاضطرابات هي مجالات كهربائية ومغناطيسية تتحرك في الفضاء. يتسبب المجال الكهرومغناطيسي المتغير بمرور الوقت بالضرورة في ظهور مجال مغناطيسي متناوب ، والعكس صحيح. هذه الحقول مرتبطة بشكل متبادل.

المصدر الرئيسي لطيف الموجات الكهرومغناطيسية هو نجم الشمس. جزء من طيف الموجات الكهرومغناطيسية مرئي للعين البشرية. يقع هذا الطيف ضمن 380 ... 780 نانومتر (الشكل 1.1). في الطيف المرئي ، ترى العين الضوء بطرق مختلفة. تنتج الاهتزازات الكهرومغناطيسية ذات الأطوال الموجية المختلفة إحساسًا بالضوء بألوان مختلفة.

يستخدم جزء من طيف الموجات الكهرومغناطيسية لتعليق الراديو والتلفزيون ولأغراض الاتصالات. مصدر الموجات الكهرومغناطيسية هو سلك (هوائي) تتأرجح فيه الشحنات الكهربائية. عملية تشكيل الحقول ، التي بدأت بالقرب من السلك ، تدريجيًا ، نقطة بنقطة ، تلتقط المساحة بأكملها. كلما زاد تردد التيار المتردد الذي يمر عبر السلك ويولد مجالًا كهربائيًا أو مغناطيسيًا ، زادت كثافة موجات الراديو ذات الطول المحدد التي يولدها السلك.

للموجات الكهرومغناطيسية الخصائص الرئيسية التالية.

1. الطول الموجي lw ، هي أقصر مسافة بين نقطتين في الفضاء ، حيث يتغير طور الموجة الكهرومغناطيسية التوافقية بمقدار 360 درجة. المرحلة هي حالة (مرحلة) من عملية دورية (الشكل 1.2).

في تعليق التلفزيون الأرضي ، تستخدم موجات المتر (MB) وموجات الديسيمتر (UHF) ، في موجات السنتيمتر الساتلية (CM). عندما يتم ملء نطاق تردد CM ، سيتم إتقان نطاق موجات المليمتر (Ka-band).

2. فترة تذبذب الموجة T-الوقت الذي يحدث خلاله تغيير واحد كامل في شدة المجال ، أي الوقت الذي تنتقل خلاله نقطة من الموجة الراديوية ، والتي لها مرحلة ثابتة ، في مسار يساوي الطول الموجي lw.

3. تردد تذبذبات المجال الكهرومغناطيسي F(عدد تذبذبات المجال في الثانية) تحددها الصيغة

وحدة قياس التردد هي هرتز (هرتز) ، وهو التردد الذي يحدث عنده تذبذب واحد في الثانية. في البث عبر الأقمار الصناعية ، يتعين على المرء أن يتعامل مع ترددات عالية جدًا للموجات الكهرومغناطيسية ، تقاس بالجيجاهيرتز.

بالنسبة للبث التلفزيوني المباشر عبر الأقمار الصناعية (STTV) عبر خط Cosmos - Earth ، يتم استخدام النطاق المنخفض للنطاق C وجزء من نطاق Ku (10.7 ... 12.75 GGi). يستخدم الجزء العلوي من هذه النطاقات لنقل المعلومات عبر خط الأرض والفضاء (الجدول 1.1).

4. سرعة انتشار الموجةمع - سرعة الانتشار المتتابع لموجة من مصدر طاقة (هوائي).

سرعة انتشار الموجات الراديوية في الفضاء الحر (فراغ) ثابتة وتساوي سرعة الضوء C = 300000 كم / ثانية. على الرغم من هذه السرعة العالية ، فإن الموجة الكهرومغناطيسية على طول خط الأرض - الفضاء - الأرض تكتسح في 0.24 ثانية. على الأرض ، يمكن استقبال البث الإذاعي والتلفزيوني على الفور تقريبًا في أي مكان. عند الانتشار في الفضاء الحقيقي ، على سبيل المثال ، في الهواء ، تعتمد سرعة الموجة الراديوية على خصائص الوسط ، وعادة ما تكون أقل معمن خلال قيمة معامل الانكسار للوسط.

تردد الموجات الكهرومغناطيسية F وسرعة انتشارها C وطول الموجة l مرتبطان بالعلاقة

lv = C / F ، ومنذ ذلك الحين F = 1 / T ،ثم lv = C * T.

نستبدل قيمة السرعة C = 300000 كم / ثانية في الصيغة الأخيرة ، نحصل عليها

lv (م) = 3 * 10 ^ 8 / F (م / ث * 1 / هرتز)

لقيم الترددات الكبيرة ، يمكن تحديد الطول الموجي للاهتزاز الكهرومغناطيسي بواسطة الصيغة lw (m) = 300 / F (MHz) معرفة الطول الموجي للاهتزاز الكهرومغناطيسي ، يتم تحديد التردد بواسطة الصيغة F (MHz) = 300 / ل.و (م)

5. استقطاب موجات الراديو.تتميز المكونات الكهربائية والمغناطيسية للمجال الكهرومغناطيسي ، على التوالي ، بالنواقل E و H ،التي توضح قيمة شدة المجال واتجاهها. الاستقطاب هو اتجاه متجه المجال الكهربائي هموجات نسبة إلى سطح الأرض (الشكل 1.2).

يتم تحديد نوع استقطاب موجات الراديو من خلال اتجاه (موضع) هوائي الإرسال بالنسبة لسطح الأرض. تستخدم كل من أجهزة التلفزيون الأرضية والأقمار الصناعية الاستقطاب الخطي ، أي الأفقي نوالعمودي V (الشكل 1.3).

تسمى موجات الراديو ذات ناقل المجال الكهربائي الأفقي مستقطبة أفقيًا ، وتسمى الموجات ذات الموجة الرأسية مستقطبة رأسياً. مستوى الاستقطاب للموجات الأخيرة عمودي والمتجه ن(انظر الشكل 1.2) في المستوى الأفقي.

إذا تم تركيب هوائي الإرسال أفقيًا فوق سطح الأرض ، فسيتم تحديد موقع خطوط المجال الكهربائي أفقيًا أيضًا. في هذه الحالة ، سيُحدث الحقل أكبر قوة دافعة كهربائية (EMF) في النار

الشكل 1.4. الاستقطاب الدائري لموجات الراديو:

LZ-اليسار؛ RZ-حق

هوائي استقبال سري. لذلك ، من أجل ناستقطاب موجات الراديو ، يجب توجيه هوائي الاستقبال أفقياً. في هذه الحالة ، لن يكون هناك نظريًا أي استقبال لموجات الراديو على هوائي رأسي ، لأن EMF المستحث في الهوائي يساوي صفرًا. وبالعكس ، مع الوضع الرأسي لهوائي الإرسال ، يجب أيضًا وضع هوائي الاستقبال عموديًا ، مما يجعل من الممكن الحصول على أعلى EMF فيه.

في البث التلفزيوني من سواتل الأرض الاصطناعية (AES) ، بالإضافة إلى الاستقطاب الخطي ، يستخدم الاستقطاب الدائري على نطاق واسع. قد يبدو هذا غريبًا بسبب ضيق الهواء ، حيث يوجد عدد كبير من أقمار الاتصالات والأقمار الصناعية للبث التلفزيوني المباشر (المباشر) في المدارات.

غالبًا ما تقدم في جداول معلمات القمر الصناعي اختصارًا لنوع الاستقطاب الدائري - L و R.يتم إنشاء الاستقطاب الدائري لموجات الراديو ، على سبيل المثال ، من خلال دوامة مخروطية الشكل على تغذية هوائي الإرسال. اعتمادًا على اتجاه لف اللولب ، يتبين أن الاستقطاب الدائري يسار أو يمين (الشكل 1.4).

وفقًا لذلك ، يجب تثبيت مستقطب في تغذية هوائي تلفزيون قمر صناعي أرضي ، والذي يستجيب للاستقطاب الدائري لموجات الراديو المنبعثة من هوائي الإرسال للقمر الصناعي.

دعونا ننظر في مسائل تعديل التذبذبات عالية التردد وطيفها أثناء الإرسال من الساتل. من المستحسن القيام بذلك بالمقارنة مع أنظمة البث الأرضي.

التباعد بين الصورة وترددات الموجة الحاملة للصوت هو 6.5 ميجا هرتز ، والباقي من النطاق الجانبي السفلي (على يسار حامل الصورة) هو 1.25 ميجا هرتز ، وعرض قناة الصوت 0.5 ميجا هرتز.

(الشكل 1.5). مع أخذ ذلك في الاعتبار ، فإن العرض الإجمالي للقناة التلفزيونية هو 8.0 ميجا هرتز (وفقًا لمعايير D و K المعتمدة في بلدان رابطة الدول المستقلة).

تحتوي المحطة التلفزيونية المرسلة على جهازي إرسال. يقوم أحدهما بنقل إشارات الصورة الكهربائية ، والآخر ينقل الصوت ، على التوالي ، بترددات حاملة مختلفة. يسمى التغيير في بعض معلمات التذبذب عالي التردد للناقل (القدرة ، التردد ، الطور ، إلخ) تحت تأثير التذبذبات منخفضة التردد ، التعديل. هناك نوعان رئيسيان من التشكيل المستخدم: الاتساع (AM) والتردد (FM). في التلفزيون ، يتم إرسال إشارات الصورة من AM ، وإشارات الصوت من FM. بعد التعديل ، تتضخم الاهتزازات الكهربائية بقوة ، ثم تدخل هوائي الإرسال وتشعها في الفضاء (الأثير) على شكل موجات راديوية.

8 البث التلفزيوني الأرضي ، لعدد من الأسباب ، من المستحيل تطبيق FM لإرسال إشارات الصورة. هناك الكثير من الفضاء الجوي على SM ، وهذه الفرصة موجودة. نتيجة لذلك ، تشغل القناة الفضائية (المرسل المستجيب) نطاق تردد يبلغ 27 ميجاهرتز.

فوائد تعديل التردد لإشارة الموجة الحاملة الفرعية:

حساسية أقل للتداخل والضوضاء مقارنةً بـ AM ، وحساسية منخفضة للخطية للخصائص الديناميكية لقنوات إرسال الإشارات ، فضلاً عن استقرار الإرسال عبر مسافات طويلة. يتم تفسير هذه الخصائص من خلال ثبات مستوى الإشارة في قنوات الإرسال ، وإمكانية تصحيح التردد للتشوه المسبق ، مما يؤثر بشكل إيجابي على نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، مما يؤدي إلى أن FM يمكن أن يقلل بشكل كبير من قدرة المرسل عند إرسال المعلومات على نفس المسافة. على سبيل المثال ، تستخدم أنظمة البث الأرضي أجهزة إرسال أقوى بخمس مرات لنقل إشارات الصورة إلى نفس محطة التلفزيون مقارنةً بنقل الإشارات الصوتية.

يوجد الإشعاع الكهرومغناطيسي تمامًا طوال فترة حياة الكون. لقد لعبت دورًا رئيسيًا في تطور الحياة على الأرض. في الواقع ، هذا اضطراب في حالة انتشار المجال الكهرومغناطيسي في الفضاء.

خصائص الإشعاع الكهرومغناطيسي

يتم وصف أي موجة كهرومغناطيسية باستخدام ثلاث خصائص.

1. التردد.

2. الاستقطاب.

الاستقطابهي إحدى سمات الموجة الرئيسية. يصف التباين المستعرض للموجات الكهرومغناطيسية. يعتبر الإشعاع مستقطباً عندما تحدث جميع اهتزازات الموجة في مستوى واحد.

هذه الظاهرة تستخدم بنشاط في الممارسة. على سبيل المثال ، في السينما عند عرض أفلام ثلاثية الأبعاد.

باستخدام الاستقطاب ، تفصل نظارات IMAX الصورة المخصصة للعيون المختلفة.

تكرر- عدد قمم الموجة التي تمر من قبل المراقب (في هذه الحالة ، الكاشف) في ثانية واحدة. تقاس بالهرتز.

الطول الموجي- المسافة المحددة بين أقرب نقاط الإشعاع الكهرومغناطيسي ، والتي تحدث اهتزازاتها في نفس المرحلة.

يمكن أن ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في أي بيئة تقريبًا: من مادة كثيفة إلى فراغ.

سرعة الانتشار في الفراغ 300 ألف كيلومتر في الثانية.

للحصول على فيديو مثير للاهتمام حول طبيعة وخصائص الموجات الكهرومغناطيسية ، انظر الفيديو أدناه:

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية

كل الإشعاع الكهرومغناطيسي مقسوم على التردد.

1. موجات الراديو.إنها قصيرة ، قصيرة للغاية ، طويلة جدًا ، طويلة ، متوسطة.

يتراوح طول موجات الراديو من 10 كم إلى 1 مم ، ومن 30 كيلو هرتز إلى 300 جيجا هرتز.

يمكن أن تكون مصادرها نشاطًا بشريًا وظواهر جوية طبيعية مختلفة.

2. . الطول الموجي في حدود 1 مم - 780 نانومتر ، ويمكن أن يصل إلى 429 تيراهيرتز. الأشعة تحت الحمراء تسمى أيضًا الإشعاع الحراري. أساس كل أشكال الحياة على كوكبنا.

3. ضوء مرئي.الطول 400-760 / 780 نانومتر. وفقًا لذلك ، يتقلب في غضون 790-385 THz. يشمل هذا النطاق الكامل للإشعاع الذي يمكن رؤيته بالعين البشرية.

4. . الطول الموجي أقصر من الأشعة تحت الحمراء.

يمكن أن تصل إلى 10 نانومتر. هذه الموجات كبيرة جدًا - حوالي 3 × 10 ^ 16 هرتز.

5. الأشعة السينية... موجات 6 × 10 ^ 19 هرتز ، ويبلغ طولها 10 نانومتر - 5 مساءً.

6. موجات جاما.وهذا يشمل أي إشعاع أكبر من الأشعة السينية ، والطول أقل. مصدر هذه الموجات الكهرومغناطيسية هي العمليات النووية الكونية.

نطاق التطبيق

في مكان ما منذ نهاية القرن التاسع عشر ، ارتبط كل التقدم البشري بالتطبيق العملي للموجات الكهرومغناطيسية.

أول شيء جدير بالذكر هو الاتصال اللاسلكي. لقد أتاحت للناس التواصل ، حتى لو كانوا بعيدين عن بعضهم البعض.

البث عبر الأقمار الصناعية والاتصالات السلكية واللاسلكية هي مزيد من التطوير للاتصالات الراديوية البدائية.

هذه التقنيات هي التي شكلت الصورة المعلوماتية للمجتمع الحديث.

يجب اعتبار مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي كلاً من المنشآت الصناعية الكبيرة وخطوط الطاقة المختلفة.

تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية بنشاط في الشؤون العسكرية (الرادارات والأجهزة الكهربائية المعقدة). أيضا ، الطب لم تفعل دون استخدامها. يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لعلاج العديد من الأمراض.

يمكن أن تساعد الأشعة السينية في تحديد الأضرار التي لحقت بالأنسجة الداخلية للشخص.

بمساعدة الليزر ، يتم إجراء عدد من العمليات التي تتطلب دقة المجوهرات.

لا يمكن المبالغة في تقدير أهمية الإشعاع الكهرومغناطيسي في الحياة العملية للإنسان.

فيديو سوفيتي عن المجال الكهرومغناطيسي:

التأثير السلبي المحتمل على الإنسان

في حين أن المصادر القوية للإشعاع الكهرومغناطيسي مفيدة ، إلا أنها يمكن أن تسبب أعراضًا مثل:

تعب؛

صداع الراس؛

غثيان.

يؤدي التعرض المفرط لأنواع معينة من الموجات إلى تلف الأعضاء الداخلية والجهاز العصبي المركزي والدماغ. التغييرات في النفس البشرية ممكنة.

نظرة مثيرة للاهتمام لتأثير الموجات الكهرومغناطيسية على البشر:

لتجنب مثل هذه العواقب ، فإن جميع دول العالم تقريبًا لديها معايير تحكم السلامة الكهرومغناطيسية. لكل نوع من أنواع الإشعاع وثائق تنظيمية خاصة به (معايير النظافة ، معايير السلامة من الإشعاع). لم يتم فهم تأثير الموجات الكهرومغناطيسية على البشر تمامًا ، لذلك توصي منظمة الصحة العالمية بالحد من تعرضها.