Por que as ondas eletromagnéticas são necessárias? Ondas eletromagnéticas, radiação eletromagnética, propagação de ondas eletromagnéticas. Propriedades das ondas eletromagnéticas

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As ondas eletromagnéticas são o resultado de muitos anos de debate e milhares de experimentos. Prova da presença de forças de origem natural capazes de derrubar a sociedade existente. Esta é a aceitação real de uma verdade simples: sabemos muito pouco sobre o mundo em que vivemos.

A física é a rainha entre as ciências naturais, capaz de fornecer respostas a questões sobre a origem não só da vida, mas também do próprio mundo. Dá aos cientistas a capacidade de estudar os campos elétricos e magnéticos, cuja interação gera CEM (ondas eletromagnéticas).

O que é uma onda eletromagnética

Há pouco tempo, foi lançado nas telas do nosso país o filme “Guerra das Correntes” (2018), que, com um toque de ficção, conta a disputa entre dois grandes cientistas Edison e Tesla. Um tentou comprovar os benefícios da corrente contínua, o outro - da corrente alternada. Esta longa batalha terminou apenas no sétimo ano do século XXI.

Logo no início da “batalha”, outro cientista, trabalhando na teoria da relatividade, descreveu a eletricidade e o magnetismo como fenômenos semelhantes.

No trigésimo ano do século XIX, o físico inglês Faraday descobriu o fenômeno da indução eletromagnética e introduziu o termo da unidade dos campos elétrico e magnético. Ele também argumentou que o movimento neste campo é limitado pela velocidade da luz.

Um pouco mais tarde, a teoria do cientista inglês Maxwell dizia que a eletricidade provoca um efeito magnético e o magnetismo provoca o aparecimento de um campo elétrico. Como ambos os campos se movem no espaço e no tempo, eles formam perturbações – isto é, ondas eletromagnéticas.

Simplificando, uma onda eletromagnética é uma perturbação espacial do campo eletromagnético.

A existência de ondas eletromagnéticas foi comprovada experimentalmente pelo cientista alemão Hertz.

Ondas eletromagnéticas, suas propriedades e características

As ondas eletromagnéticas são caracterizadas pelos seguintes fatores:

• comprimento (faixa bastante ampla);
• frequência;
• intensidade (ou amplitude de vibração);
• quantidade de energia.

A propriedade básica de toda radiação eletromagnética é o seu comprimento de onda (no vácuo), que geralmente é especificado em nanômetros para o espectro de luz visível.

Cada nanômetro representa um milésimo de micrômetro e é medido pela distância entre dois picos sucessivos.

A frequência de emissão correspondente de uma onda é o número de oscilações senoidais e é inversamente proporcional ao comprimento de onda.

A frequência geralmente é medida em Hertz. Assim, ondas mais longas correspondem a radiação de frequência mais baixa e ondas mais curtas correspondem a radiação de alta frequência.

Propriedades básicas das ondas:

• refração;
• reflexão;
• absorção;
• interferência.

Velocidade da onda eletromagnética

A velocidade real de propagação de uma onda eletromagnética depende do material do meio, de sua densidade óptica e da presença de fatores como pressão.

Além disso, diferentes materiais possuem diferentes densidades de “empacotamento” de átomos. Quanto mais próximos estiverem, menor será a distância e maior será a velocidade; Como resultado, a velocidade de uma onda eletromagnética depende do material através do qual ela viaja.

Experimentos semelhantes são realizados no colisor de hádrons, onde o principal instrumento de influência é uma partícula carregada. O estudo dos fenômenos eletromagnéticos ocorre ali no nível quântico, quando a luz é decomposta em minúsculas partículas - fótons. Mas a física quântica é um tópico separado.

De acordo com a teoria da relatividade, a velocidade mais alta de propagação das ondas não pode exceder a velocidade da luz. Maxwell descreveu a finitude do limite de velocidade em suas obras, explicando isso pela presença de um novo campo - o éter. A ciência oficial moderna ainda não estudou tal relação.

Radiação eletromagnética e seus tipos

A radiação eletromagnética consiste em ondas eletromagnéticas, que são observadas como oscilações de campos elétricos e magnéticos, propagando-se à velocidade da luz (300 km por segundo no vácuo).

Quando a radiação EM interage com a matéria, o seu comportamento muda qualitativamente à medida que a frequência muda. Por que ele se transforma em:

1. Emissões de rádio. Nas frequências de rádio e de microondas, a radiação eletromagnética interage com a matéria principalmente na forma de um conjunto comum de cargas que são distribuídas por um grande número de átomos afetados.
2. Radiação infra-vermelha. Ao contrário da radiação de rádio e micro-ondas de baixa frequência, um emissor infravermelho normalmente interage com dipolos presentes em moléculas individuais que mudam nas extremidades de uma ligação química em nível atômico à medida que vibram.
3. Emissão de luz visível.À medida que a frequência aumenta na faixa visível, os fótons têm energia suficiente para alterar a estrutura ligada de algumas moléculas individuais.
4. Radiação ultravioleta. A frequência aumenta. Os fótons ultravioleta agora contêm energia suficiente (mais de três volts) para agir duplamente nas ligações das moléculas, reorganizando-as quimicamente constantemente.
5. Radiação ionizante. Nas frequências mais altas e comprimentos de onda mais curtos. A absorção desses raios pela matéria afeta todo o espectro gama. O efeito mais famoso é a radiação.

Qual é a fonte das ondas eletromagnéticas

O mundo, segundo a jovem teoria da origem de tudo, surgiu por impulso. Ele liberou uma energia colossal, que foi chamada de big bang. Foi assim que apareceu a primeira onda em na história do universo.

Atualmente, as fontes de formação de perturbações incluem:

• EMW é emitido por um vibrador artificial;
• o resultado da vibração de grupos atômicos ou partes de moléculas;
• se houver impacto na camada externa da substância (no nível atômico-molecular);
• efeito semelhante ao da luz;
• durante a decadência nuclear;
• consequência da frenagem eletrônica.

Escala e aplicação da radiação eletromagnética

A escala de radiação refere-se a uma grande faixa de frequência de onda de 3·10 6 ÷10 -2 a 10 -9 ÷ 10 -14.

Cada parte do espectro eletromagnético tem uma ampla gama de aplicações em nossa vida diária:

1. Ondas curtas (microondas). Essas ondas elétricas são usadas como sinal de satélite porque são capazes de contornar a atmosfera terrestre. Além disso, uma versão ligeiramente melhorada é usada para aquecer e cozinhar na cozinha - este é um forno de micro-ondas. O princípio de cozimento é simples - sob a influência da radiação de micro-ondas, as moléculas de água são absorvidas e aceleradas, fazendo com que o prato aqueça.
2. Perturbações longas são usadas na tecnologia de rádio (ondas de rádio). A sua frequência não permite a passagem das nuvens e da atmosfera, graças à qual a rádio FM e a televisão estão à nossa disposição.
3. A perturbação infravermelha está diretamente relacionada ao calor. É quase impossível vê-lo. Tente perceber, sem equipamento especial, o feixe do painel de controle da sua TV, aparelho de som ou aparelho de som do carro. Dispositivos capazes de ler tais ondas são utilizados nos exércitos dos países (dispositivos de visão noturna). Também em fogões indutivos em cozinhas.
4. O ultravioleta também está relacionado ao calor. O “gerador” natural mais poderoso dessa radiação é o sol. É devido à ação da radiação ultravioleta que se forma um bronzeado na pele humana. Na medicina, esse tipo de ondas é usado para desinfetar instrumentos, matando germes e.
5. Os raios gama são o tipo de radiação mais poderoso, no qual se concentram perturbações de ondas curtas com alta frequência. A energia contida nesta parte do espectro eletromagnético confere aos raios maior poder de penetração. Aplicável em física nuclear - armas nucleares pacíficas - uso em combate.

A influência das ondas eletromagnéticas na saúde humana

Medir os efeitos da fem nos humanos é responsabilidade dos cientistas. Mas não é preciso ser especialista para avaliar a intensidade da radiação ionizante - ela provoca alterações ao nível do DNA humano, o que acarreta doenças tão graves como a oncologia.

Não é à toa que os efeitos nocivos do desastre da central nuclear de Chernobyl são considerados um dos mais perigosos para a natureza. Vários quilómetros quadrados do outrora belo território tornaram-se uma zona de total exclusão. Até o final do século, a explosão na usina nuclear de Chernobyl representa um perigo até que termine a meia-vida dos radionuclídeos.

Alguns tipos de ondas eletromagnéticas (rádio, infravermelho, ultravioleta) não causam danos graves aos seres humanos e apenas causam desconforto. Afinal, praticamente não podemos sentir o campo magnético da Terra, mas a fem de um telefone celular pode causar dor de cabeça (impacto no sistema nervoso).

Para proteger sua saúde do eletromagnetismo, você deve simplesmente tomar precauções razoáveis. Em vez de passar centenas de horas jogando um jogo de computador, dê um passeio.

Ondas eletromagnéticas (cuja tabela será dada abaixo) são perturbações de campos magnéticos e elétricos distribuídos no espaço. Existem vários tipos deles. A física estuda esses distúrbios. As ondas eletromagnéticas são formadas devido ao fato de um campo elétrico alternado gerar um campo magnético, que, por sua vez, gera um campo elétrico.

História da pesquisa

As primeiras teorias, que podem ser consideradas as versões mais antigas de hipóteses sobre ondas eletromagnéticas, datam pelo menos da época de Huygens. Durante esse período, os pressupostos atingiram um desenvolvimento quantitativo pronunciado. Huygens em 1678 publicou uma espécie de “esboço” da teoria - “Tratado sobre a Luz”. Em 1690 publicou outra obra maravilhosa. Ele delineou a teoria qualitativa da reflexão e da refração na forma em que ainda hoje é apresentada nos livros escolares (“Ondas Eletromagnéticas”, 9º ano).

Ao mesmo tempo, o princípio de Huygens foi formulado. Com sua ajuda, foi possível estudar o movimento da frente de onda. Este princípio posteriormente encontrou seu desenvolvimento nas obras de Fresnel. O princípio de Huygens-Fresnel foi de particular importância na teoria da difração e na teoria ondulatória da luz.

Nas décadas de 1660 e 1670, Hooke e Newton fizeram importantes contribuições experimentais e teóricas para a pesquisa. Quem descobriu as ondas eletromagnéticas? Quem conduziu os experimentos para provar sua existência? Que tipos de ondas eletromagnéticas existem? Mais sobre isso mais tarde.

O raciocínio de Maxwell

Antes de falar sobre quem descobriu as ondas eletromagnéticas, é preciso dizer que o primeiro cientista que geralmente previu sua existência foi Faraday. Ele apresentou sua hipótese em 1832. Maxwell posteriormente trabalhou na construção da teoria. Em 1865 ele completou este trabalho. Como resultado, Maxwell formulou estritamente a teoria matematicamente, justificando a existência dos fenômenos em consideração. Ele também determinou a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas, que coincidia com o valor então utilizado da velocidade da luz. Isso, por sua vez, permitiu-lhe fundamentar a hipótese de que a luz é um dos tipos de radiação em consideração.

Detecção experimental

A teoria de Maxwell foi confirmada nos experimentos de Hertz em 1888. Deve-se dizer aqui que o físico alemão conduziu seus experimentos para refutar a teoria, apesar de sua justificativa matemática. No entanto, graças aos seus experimentos, Hertz se tornou o primeiro a descobrir de forma prática as ondas eletromagnéticas. Além disso, durante seus experimentos, o cientista identificou as propriedades e características da radiação.

Hertz obteve oscilações e ondas eletromagnéticas excitando uma série de pulsos de um fluxo que varia rapidamente em um vibrador usando uma fonte de alta tensão. Correntes de alta frequência podem ser detectadas usando um circuito. Quanto maior a capacitância e a indutância, maior será a frequência de oscilação. Mas, ao mesmo tempo, uma frequência alta não garante um fluxo intenso. Para realizar seus experimentos, Hertz usou um dispositivo bastante simples, que hoje é chamado de “vibrador Hertz”. O dispositivo é um circuito oscilatório de tipo aberto.

Esquema do experimento de Hertz

O registro da radiação foi realizado por meio de um vibrador receptor. Este dispositivo tinha o mesmo design do dispositivo emissor. Sob a influência de uma onda eletromagnética de um campo elétrico alternado, uma oscilação de corrente foi excitada no dispositivo receptor. Se neste dispositivo sua frequência natural e a frequência do fluxo coincidissem, então aparecia a ressonância. Como resultado, distúrbios no dispositivo receptor ocorreram com maior amplitude. O pesquisador os descobriu observando faíscas entre os condutores em um pequeno vão.

Assim, Hertz se tornou o primeiro a descobrir as ondas eletromagnéticas e provar sua capacidade de serem bem refletidas nos condutores. Ele praticamente comprovou a formação de radiação permanente. Além disso, Hertz determinou a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar.

Estudo de características

As ondas eletromagnéticas se propagam em quase todos os meios. Num espaço cheio de matéria, a radiação pode, em alguns casos, ser muito bem distribuída. Mas, ao mesmo tempo, mudam um pouco o seu comportamento.

Ondas eletromagnéticas no vácuo são detectadas sem atenuação. Eles são distribuídos por qualquer distância, não importa quão grande seja. As principais características das ondas incluem polarização, frequência e comprimento. As propriedades são descritas no âmbito da eletrodinâmica. Contudo, ramos mais específicos da física tratam das características da radiação em certas regiões do espectro. Isso inclui, por exemplo, óptica.

O estudo da radiação eletromagnética forte na extremidade espectral de ondas curtas é realizado pela seção de alta energia. Levando em conta as ideias modernas, a dinâmica deixa de ser uma disciplina independente e se une a uma teoria.

Teorias utilizadas no estudo das propriedades

Hoje, existem vários métodos que facilitam a modelagem e o estudo das manifestações e propriedades das vibrações. A eletrodinâmica quântica é considerada a mais fundamental das teorias testadas e concluídas. A partir dele, por meio de certas simplificações, torna-se possível obter os métodos listados a seguir, amplamente utilizados em diversos campos.

A descrição da radiação de frequência relativamente baixa em um ambiente macroscópico é realizada por meio da eletrodinâmica clássica. É baseado nas equações de Maxwell. No entanto, existem simplificações nas aplicações. O estudo óptico usa óptica. A teoria das ondas é usada nos casos em que algumas partes do sistema óptico têm tamanho próximo aos comprimentos de onda. A óptica quântica é utilizada quando os processos de espalhamento e absorção de fótons são significativos.

A teoria óptica geométrica é um caso limite em que o comprimento de onda pode ser ignorado. Existem também várias seções aplicadas e fundamentais. Estes incluem, por exemplo, astrofísica, biologia da percepção visual e fotossíntese e fotoquímica. Como as ondas eletromagnéticas são classificadas? Uma tabela que descreve claramente a distribuição em grupos é apresentada abaixo.

Classificação

Existem faixas de frequência de ondas eletromagnéticas. Não há transições nítidas entre eles; às vezes, eles se sobrepõem; Os limites entre eles são bastante arbitrários. Devido ao fato do fluxo ser distribuído continuamente, a frequência está estritamente relacionada ao comprimento. Abaixo estão as faixas de ondas eletromagnéticas.

A radiação ultracurta é geralmente dividida em micrômetro (submilimétrico), milímetro, centímetro, decímetro, metro. Se a radiação eletromagnética for inferior a um metro, geralmente é chamada de oscilação de frequência ultra-alta (microondas).

Tipos de ondas eletromagnéticas

Acima estão as faixas de ondas eletromagnéticas. Que tipos de fluxos existem? O grupo inclui raios gama e raios X. Deve-se dizer que tanto a luz ultravioleta quanto a visível são capazes de ionizar átomos. Os limites dentro dos quais os fluxos gama e de raios X estão localizados são determinados de forma muito condicional. Como orientação geral, são aceitos os limites de 20 eV - 0,1 MeV. Os fluxos gama no sentido estrito são emitidos pelo núcleo, os fluxos de raios X são emitidos pela camada atômica do elétron no processo de eliminação de elétrons de órbitas baixas. No entanto, esta classificação não é aplicável à radiação dura gerada sem a participação de núcleos e átomos.

Os fluxos de raios X são formados quando partículas rápidas carregadas (prótons, elétrons e outras) desaceleram e como resultado de processos que ocorrem dentro das camadas de elétrons atômicos. As oscilações gama surgem como resultado de processos dentro dos núcleos dos átomos e durante a transformação de partículas elementares.

Transmissões de rádio

Devido ao grande valor dos comprimentos, estas ondas podem ser consideradas sem levar em conta a estrutura atomística do meio. Como exceção, apenas os fluxos mais curtos, adjacentes à região infravermelha do espectro, atuam. Na faixa de rádio, as propriedades quânticas das vibrações aparecem de forma bastante fraca. No entanto, devem ser levados em consideração, por exemplo, ao analisar padrões moleculares de tempo e frequência durante o resfriamento de equipamentos a uma temperatura de vários Kelvins.

As propriedades quânticas também são levadas em consideração ao descrever geradores e amplificadores nas faixas de milímetros e centímetros. O fluxo de rádio é formado durante o movimento da corrente alternada através de condutores da frequência correspondente. E uma onda eletromagnética que passa no espaço excita a correspondente. Esta propriedade é usada no projeto de antenas em engenharia de rádio.

Tópicos visíveis

As radiações visíveis ultravioleta e infravermelha constituem, no sentido amplo da palavra, a chamada parte óptica do espectro. A seleção desta área é determinada não só pela proximidade das zonas correspondentes, mas também pela semelhança dos instrumentos utilizados na investigação e desenvolvidos principalmente durante o estudo da luz visível. Estes, em particular, incluem espelhos e lentes para focar a radiação, redes de difração, prismas e outros.

As frequências das ondas ópticas são comparáveis ​​às das moléculas e dos átomos, e os seus comprimentos são comparáveis ​​às distâncias intermoleculares e aos tamanhos moleculares. Portanto, fenômenos causados ​​pela estrutura atômica da matéria tornam-se significativos nesta área. Pela mesma razão, a luz, juntamente com as propriedades ondulatórias, também possui propriedades quânticas.

O surgimento de fluxos ópticos

A fonte mais famosa é o Sol. A superfície da estrela (fotosfera) tem uma temperatura de 6.000° Kelvin e emite luz branca brilhante. O valor mais alto do espectro contínuo está localizado na zona “verde” - 550 nm. É aqui que está localizada a sensibilidade visual máxima. Oscilações na faixa óptica ocorrem quando os corpos são aquecidos. Os fluxos infravermelhos são, portanto, também chamados de fluxos térmicos.

Quanto mais o corpo aquece, maior é a frequência onde se localiza o máximo do espectro. Com certo aumento de temperatura, observa-se incandescência (brilho na faixa visível). Nesse caso, o vermelho aparece primeiro, depois o amarelo e assim por diante. A criação e registro de fluxos ópticos podem ocorrer em reações biológicas e químicas, uma das quais é utilizada em fotografia. Para a maioria das criaturas que vivem na Terra, a fotossíntese serve como fonte de energia. Esta reação biológica ocorre nas plantas sob a influência da radiação solar óptica.

Características das ondas eletromagnéticas

As propriedades do meio e da fonte influenciam as características dos fluxos. Isto estabelece, em particular, a dependência temporal dos campos, que determina o tipo de fluxo. Por exemplo, quando a distância do vibrador muda (à medida que aumenta), o raio de curvatura torna-se maior. Como resultado, uma onda eletromagnética plana é formada. A interação com a substância também ocorre de diferentes maneiras.

Os processos de absorção e emissão de fluxos, via de regra, podem ser descritos por meio de relações eletrodinâmicas clássicas. Para ondas na região óptica e para raios duros, sua natureza quântica deve ser levada ainda mais em consideração.

Fontes de transmissão

Apesar da diferença física, em todos os lugares - em uma substância radioativa, em um transmissor de televisão, em uma lâmpada incandescente - as ondas eletromagnéticas são excitadas por cargas elétricas que se movem com aceleração. Existem dois tipos principais de fontes: microscópicas e macroscópicas. No primeiro, ocorre uma transição abrupta de partículas carregadas de um nível para outro dentro das moléculas ou átomos.

Fontes microscópicas emitem raios X, gama, ultravioleta, infravermelho, visível e, em alguns casos, radiação de ondas longas. Um exemplo deste último é a linha do espectro do hidrogênio, que corresponde a um comprimento de onda de 21 cm. Este fenômeno é de particular importância na radioastronomia.

Fontes macroscópicas são emissores nos quais os elétrons livres dos condutores realizam oscilações síncronas periódicas. Em sistemas desta categoria, são gerados fluxos desde a escala milimétrica até os mais longos (em linhas de energia).

Estrutura e força dos fluxos

Correntes aceleradas e em mudança periódica influenciam-se mutuamente com certas forças. A direção e sua magnitude dependem de fatores como o tamanho e a configuração da região na qual as correntes e cargas estão contidas, sua direção relativa e magnitude. As características elétricas de um determinado meio, bem como as mudanças na concentração de cargas e na distribuição das correntes da fonte, também têm um impacto significativo.

Devido à complexidade geral da definição do problema, é impossível apresentar a lei das forças na forma de uma única fórmula. A estrutura, denominada campo eletromagnético e considerada, se necessário, como objeto matemático, é determinada pela distribuição de cargas e correntes. Este, por sua vez, é criado por uma determinada fonte, levando em consideração as condições de contorno. As condições são determinadas pela forma da zona de interação e pelas características do material. Se falamos de espaço ilimitado, essas circunstâncias são complementadas. A condição de radiação atua como uma condição adicional especial nesses casos. Devido a isso, a “correção” do comportamento do campo no infinito é garantida.

Cronologia do estudo

Lomonosov, em algumas de suas disposições, antecipa postulados individuais da teoria do campo eletromagnético: o movimento “rotativo” (rotacional) das partículas, a teoria “oscilante” (ondulatória) da luz, sua semelhança com a natureza da eletricidade, etc. os fluxos foram descobertos em 1800 por Herschel (cientista inglês), e no ano seguinte, 1801, Ritter descreveu o ultravioleta. A radiação de alcance menor que o ultravioleta foi descoberta por Roentgen em 1895, em 8 de novembro. Posteriormente recebeu o nome de raio X.

A influência das ondas eletromagnéticas foi estudada por muitos cientistas. No entanto, o primeiro a explorar as possibilidades dos fluxos e o âmbito da sua aplicação foi Narkevich-Iodko (cientista bielorrusso). Ele estudou as propriedades dos fluxos em relação à medicina prática. A radiação gama foi descoberta por Paul Willard em 1900. Durante o mesmo período, Planck conduziu estudos teóricos sobre as propriedades do corpo negro. No processo de estudo, ele descobriu a natureza quântica do processo. Seu trabalho marcou o início do desenvolvimento. Posteriormente, foram publicados vários trabalhos de Planck e Einstein. Sua pesquisa levou à formação de um conceito como o fóton. Isto, por sua vez, lançou as bases para a criação da teoria quântica dos fluxos eletromagnéticos. Seu desenvolvimento continuou nas obras das principais figuras científicas do século XX.

Outras pesquisas e trabalhos sobre a teoria quântica da radiação eletromagnética e sua interação com a matéria levaram, em última análise, à formação da eletrodinâmica quântica na forma em que existe hoje. Entre os destacados cientistas que estudaram esta questão, destacam-se, além de Einstein e Planck, Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman.

Conclusão

A importância da física no mundo moderno é muito grande. Quase tudo o que hoje é utilizado na vida humana surgiu graças ao uso prático das pesquisas de grandes cientistas. A descoberta das ondas eletromagnéticas e seu estudo, em particular, levaram à criação de transmissores de rádio convencionais e, posteriormente, de telefones celulares. A aplicação prática de tais conhecimentos teóricos é de particular importância no campo da medicina, indústria e tecnologia.

Esse uso generalizado se deve à natureza quantitativa da ciência. Todos os experimentos físicos são baseados em medições, comparação das propriedades dos fenômenos em estudo com os padrões existentes. É para este propósito que um complexo de instrumentos e unidades de medição foi desenvolvido dentro da disciplina. Vários padrões são comuns a todos os sistemas materiais existentes. Por exemplo, as leis de conservação de energia são consideradas leis físicas gerais.

A ciência como um todo é considerada fundamental em muitos casos. Isso se deve, em primeiro lugar, ao fato de outras disciplinas fornecerem descrições, que, por sua vez, obedecem às leis da física. Assim, em química, são estudados átomos, substâncias formadas a partir deles e transformações. Mas as propriedades químicas dos corpos são determinadas pelas características físicas das moléculas e dos átomos. Essas propriedades descrevem ramos da física como eletromagnetismo, termodinâmica e outros.

Em 1864, James Clerk Maxwell previu a possibilidade da existência de ondas eletromagnéticas no espaço. Ele apresentou esta afirmação com base nas conclusões decorrentes da análise de todos os dados experimentais conhecidos na época sobre eletricidade e magnetismo.

Maxwell unificou matematicamente as leis da eletrodinâmica, ligando fenômenos elétricos e magnéticos, e assim chegou à conclusão de que os campos elétricos e magnéticos que mudam ao longo do tempo geram um ao outro.

Inicialmente, concentrou-se no facto de a relação entre os fenómenos magnéticos e eléctricos não ser simétrica, e introduziu o termo “campo eléctrico de vórtice”, oferecendo a sua explicação verdadeiramente nova do fenómeno da indução electromagnética descoberto por Faraday: “cada mudança no campo magnético campo leva ao aparecimento no espaço circundante de um campo elétrico de vórtice com linhas de força fechadas.”

De acordo com Maxwell, a afirmação oposta também era verdadeira: “um campo elétrico variável dá origem a um campo magnético no espaço circundante”, mas esta afirmação inicialmente permaneceu apenas uma hipótese.

Maxwell escreveu um sistema de equações matemáticas que descrevia consistentemente as leis das transformações mútuas dos campos magnéticos e elétricos; essas equações mais tarde se tornaram as equações básicas da eletrodinâmica e começaram a ser chamadas de “equações de Maxwell” em homenagem ao grande cientista que as escreveu; abaixo. A hipótese de Maxwell, baseada nas equações escritas, trouxe diversas conclusões extremamente importantes para a ciência e a tecnologia, que são apresentadas a seguir.

Ondas eletromagnéticas realmente existem

Ondas eletromagnéticas transversais podem existir no espaço, que se propagam ao longo do tempo. O fato de as ondas serem transversais é indicado pelo fato de que os vetores de indução magnética B e intensidade do campo elétrico E são mutuamente perpendiculares e ambos estão em um plano perpendicular à direção de propagação da onda eletromagnética.

A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas em uma substância é finita e é determinada pelas propriedades elétricas e magnéticas da substância através da qual a onda se propaga. O comprimento da onda senoidal λ está relacionado à velocidade υ por uma certa razão exata λ = υ/f, e depende da frequência f das oscilações do campo. A velocidade c de uma onda eletromagnética no vácuo é uma das constantes físicas fundamentais - a velocidade da luz no vácuo.

Como Maxwell afirmou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética era finita, isso criou uma contradição entre sua hipótese e a teoria da ação de longo alcance aceita na época, segundo a qual a velocidade de propagação das ondas deveria ser infinita. A teoria de Maxwell foi, portanto, chamada de teoria da ação de curto alcance.

Em uma onda eletromagnética, a transformação dos campos elétrico e magnético ocorre simultaneamente, portanto as densidades volumétricas da energia magnética e da energia elétrica são iguais entre si. Portanto, é verdade que os módulos de intensidade do campo elétrico e de indução do campo magnético estão relacionados entre si em cada ponto do espaço pela seguinte relação:

Uma onda eletromagnética, no processo de sua propagação, cria um fluxo de energia eletromagnética, e se considerarmos uma área em um plano perpendicular à direção de propagação da onda, então em pouco tempo uma certa quantidade de energia eletromagnética se moverá através dele. A densidade do fluxo de energia eletromagnética é a quantidade de energia transferida por uma onda eletromagnética através da superfície de uma unidade de área por unidade de tempo. Substituindo os valores da velocidade, bem como da energia magnética e elétrica, podemos obter uma expressão para a densidade do fluxo em termos dos valores de E e B.

Como a direção de propagação da energia das ondas coincide com a direção da velocidade de propagação das ondas, o fluxo de energia que se propaga em uma onda eletromagnética pode ser especificado usando um vetor direcionado da mesma forma que a velocidade de propagação das ondas. Este vetor foi chamado de “vetor Poynting” - em homenagem ao físico britânico Henry Poynting, que desenvolveu a teoria da propagação do fluxo de energia do campo eletromagnético em 1884. A densidade do fluxo de energia das ondas é medida em W/m².

Quando um campo elétrico atua sobre uma substância, pequenas correntes aparecem nela, representando o movimento ordenado de partículas eletricamente carregadas. Essas correntes no campo magnético de uma onda eletromagnética estão sujeitas à ação da força Ampere, que é direcionada profundamente na substância. A força Ampere acaba gerando pressão.

Este fenômeno foi posteriormente, em 1900, estudado e confirmado experimentalmente pelo físico russo Pyotr Nikolaevich Lebedev, cujo trabalho experimental foi muito importante para a confirmação da teoria do eletromagnetismo de Maxwell e sua aceitação e aprovação no futuro.

O fato de uma onda eletromagnética exercer pressão permite julgar que o campo eletromagnético possui um impulso mecânico, que pode ser expresso por uma unidade de volume através da densidade volumétrica da energia eletromagnética e da velocidade de propagação da onda no vácuo:

Como o momento está associado ao movimento da massa, é possível introduzir um conceito como massa eletromagnética e, então, para uma unidade de volume, essa relação (de acordo com STR) assumirá o caráter de uma lei universal da natureza, e irá ser válido para quaisquer corpos materiais, independentemente da forma da matéria. E o campo eletromagnético é então semelhante a um corpo material - tem energia W, massa m, momento pe uma velocidade final de propagação v. Ou seja, o campo eletromagnético é uma das formas de matéria que realmente existe na natureza.

Pela primeira vez em 1888, Heinrich Hertz confirmou experimentalmente a teoria eletromagnética de Maxwell. Ele comprovou experimentalmente a realidade das ondas eletromagnéticas e estudou suas propriedades, como refração e absorção em diversos meios, bem como reflexão de ondas em superfícies metálicas.

Hertz mediu o comprimento de onda e mostrou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética é igual à velocidade da luz. O trabalho experimental de Hertz foi o último passo para o reconhecimento da teoria eletromagnética de Maxwell. Sete anos depois, em 1895, o físico russo Alexander Stepanovich Popov usou ondas eletromagnéticas para criar comunicações sem fio.

Nos circuitos de corrente contínua, as cargas se movem a uma velocidade constante e, neste caso, as ondas eletromagnéticas não são emitidas para o espaço. Para que a radiação ocorra é necessária a utilização de uma antena na qual sejam excitadas correntes alternadas, ou seja, correntes que mudam rapidamente de direção.

Na sua forma mais simples, um dipolo elétrico de pequeno tamanho, cujo momento dipolar mudaria rapidamente com o tempo, é adequado para emitir ondas eletromagnéticas. É precisamente esse tipo de dipolo que hoje é chamado de “dipolo Hertz”, cujo tamanho é várias vezes menor que o comprimento de onda que emite.

Quando irradiado por um dipolo hertziano, o fluxo máximo de energia eletromagnética cai em um plano perpendicular ao eixo do dipolo. Não há radiação de energia eletromagnética ao longo do eixo dipolo. Nas experiências mais importantes de Hertz, dipolos elementares foram usados ​​para emitir e receber ondas eletromagnéticas, e a existência de ondas eletromagnéticas foi comprovada.

Poucas pessoas sabem que a radiação de natureza eletromagnética permeia todo o Universo. As ondas eletromagnéticas surgem quando se propagam no espaço. Dependendo da frequência de vibração das ondas, elas são condicionalmente divididas em luz visível, espectro de radiofrequência, faixas infravermelhas, etc. A existência prática de ondas eletromagnéticas foi comprovada experimentalmente em 1880 pelo cientista alemão G. Hertz (aliás, o unidade de medida de frequência leva seu nome).

A partir de um curso de física sabemos o que é um tipo especial de matéria. Embora apenas uma pequena parte dela possa ser vista com visão, a sua influência no mundo material é enorme. Ondas eletromagnéticas são a propagação sequencial no espaço de vetores interagentes de intensidade de campo magnético e elétrico. No entanto, a palavra “propagação” neste caso não é totalmente correta: estamos falando, antes, de uma perturbação ondulatória do espaço. A razão que gera ondas eletromagnéticas é o aparecimento no espaço de um campo elétrico que muda com o tempo. E, como você sabe, existe uma conexão direta entre os campos elétricos e magnéticos. Basta lembrar a regra segundo a qual existe um campo magnético em torno de qualquer condutor condutor de corrente. Uma partícula afetada por ondas eletromagnéticas começa a oscilar e, como há movimento, significa que há radiação de energia. O campo elétrico é transferido para uma partícula vizinha que está em repouso, resultando novamente na geração de um campo de natureza elétrica. E como os campos estão interligados, os campos magnéticos aparecem a seguir. O processo se espalha como uma avalanche. Neste caso, não há movimento real, mas apenas vibrações de partículas.

Os físicos vêm pensando há muito tempo na possibilidade de uso prático disso. No mundo moderno, a energia das ondas eletromagnéticas é tão amplamente utilizada que muitos nem percebem, tomando-a como certa. Um exemplo marcante são as ondas de rádio, sem as quais o funcionamento de televisores e telefones celulares seria impossível.

O processo ocorre da seguinte forma: um condutor metálico modulado de formato especial (antena) é constantemente transmitido. Devido às propriedades da corrente elétrica, surge um campo elétrico e depois um campo magnético ao redor do condutor, resultando na emissão de ondas eletromagnéticas. Por serem modulados, carregam uma determinada ordem, informação codificada. Para captar as frequências necessárias, uma antena receptora de design especial é instalada no receptor. Ele permite que você selecione as frequências necessárias do fundo eletromagnético geral. Uma vez no receptor metálico, as ondas são parcialmente convertidas em corrente elétrica da modulação original. Em seguida, eles vão até a unidade amplificadora e controlam o funcionamento do aparelho (movem o difusor do alto-falante, giram os eletrodos nas telas de TV).

A corrente produzida a partir de ondas eletromagnéticas pode ser facilmente vista. Para isso, basta que o núcleo nu do cabo que vai da antena ao receptor toque a massa comum (radiador de aquecimento. Nesse momento, uma faísca salta entre o solo e o núcleo - esta é uma manifestação do corrente gerada pela antena Seu valor é maior, quanto mais próximo e mais potente estiver o transmissor. A configuração da antena também tem um impacto significativo.

Outra manifestação de ondas eletromagnéticas que muitos encontram diariamente no dia a dia é o uso do forno micro-ondas. Linhas rotativas de intensidade de campo cruzam o objeto e transferem parte de sua energia, aquecendo-o.