Ondas eletromagnéticas, radiação eletromagnética, propagação de ondas eletromagnéticas

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

Maxwell combinou matematicamente as leis da eletrodinâmica, conectando fenômenos elétricos e magnéticos, e assim chegou à conclusão de que os campos elétrico e magnético, que mudam com o tempo, geram um ao outro.

Inicialmente, ele enfatizou o fato de que a relação entre fenômenos magnéticos e elétricos não é simétrico e introduziu o termo "campo elétrico parasita", oferecendo sua própria e verdadeiramente nova explicação do fenômeno da indução eletromagnética 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 de que "um campo elétrico variável produz um campo magnético no espaço circundante" também é verdadeira, mas esta afirmação inicialmente permaneceu apenas uma hipótese.

Maxwell escreveu um sistema de equações matemáticas que descreve consistentemente as leis de transformações mútuas dos campos magnético e elétrico, 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. eles para baixo. A hipótese de Maxwell, baseada nas equações escritas, tem várias conclusões extremamente importantes para a ciência e tecnologia, que são apresentadas a seguir.

Existem ondas eletromagnéticas

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

As ondas eletromagnéticas se propagam a uma velocidade finita

A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas em uma determinada 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 neste caso está relacionado à velocidade υ com uma certa proporção 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 básicas — a velocidade da luz no vácuo.

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

Uma onda eletromagnética é um campo elétrico e magnético que se transformam mutuamente.

Na onda eletromagnética, a transformação do campo elétrico e do campo magnético um no outro ocorre ao mesmo tempo, portanto as densidades de volume da energia magnética e elétrica são iguais entre si. Portanto, é verdade que os módulos da a força do campo elétrico e a indução do campo magnético estão relacionadas entre si em qualquer ponto do espaço através da seguinte conexão:

Ondas eletromagnéticas transportam energia

Uma onda eletromagnética no processo de propagação cria um fluxo de energia eletromagnética e, se levarmos em consideração a área no plano perpendicular à direção de propagação da onda, uma certa quantidade de energia eletromagnética se moverá através dela em um tempo curto. A densidade do fluxo de energia eletromagnética é a quantidade de energia transportada por uma onda eletromagnética através de uma superfície por unidade de área por unidade de tempo. Substituindo os valores da velocidade, bem como das energias magnética e elétrica, é possível obter uma expressão para a densidade de fluxo em função das grandezas E e B.

Vetor de Poynting — vetor do fluxo de energia da onda

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

Ondas eletromagnéticas pressionam corpos que as refletem ou absorvem

Quando um campo elétrico atua sobre uma substância, pequenas correntes aparecem nela, que são 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 para a substância. Como resultado, a força de Ampere gera pressão.

Este fenômeno foi posteriormente, em 1900, investigado e confirmado empiricamente pelo físico russo Pyotr Nikolayevich 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 a onda eletromagnética exercer pressão permite estimar a presença de um impulso mecânico no campo eletromagnético, que pode ser expresso por unidade de volume pela densidade volumétrica da energia eletromagnética e pela velocidade de propagação da onda no vácuo:

Como o momento está relacionado ao movimento da massa, é possível introduzir um conceito como massa eletromagnética e, para uma unidade de volume, essa relação (de acordo com STR) assumirá o caráter de uma lei universal da natureza e será válida para quaisquer corpos materiais, independentemente da forma da matéria. Então o campo eletromagnético é semelhante a um corpo material – ele tem energia W, massa m, momento p e velocidade terminal v. Ou seja, o campo eletromagnético é uma das formas de matéria realmente existentes na natureza.

Confirmação final da teoria de Maxwell

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

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

Ondas eletromagnéticas são excitadas apenas por cargas em movimento acelerado

Nos circuitos de corrente contínua, as cargas se movem a uma velocidade constante e as ondas eletromagnéticas, neste caso, não são emitidas para o espaço. Para que haja radiação, é necessário o uso de uma antena na qual as correntes alternadas, ou seja, correntes que mudassem rapidamente de direção, ficavam empolgados.

Em sua forma mais simples, um dipolo elétrico de tamanho pequeno é adequado para irradiar ondas eletromagnéticas onde o momento dipolar mudaria rapidamente com o tempo. Esse dipolo é hoje chamado de "dipolo hertziano", cujo tamanho é várias vezes menor que o comprimento de onda que emite.

Quando emitido de 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 do dipolo. Nos experimentos mais importantes de Hertz, dipolos elementares foram usados ​​tanto para emitir quanto para receber ondas eletromagnéticas, provando a existência de ondas eletromagnéticas.