Электромагниттік толқындар

Электромагниттік құбылыстар физикасына М. Фарадейдің қосқан негізгі жаңалығы кеңістікті күш сызықтармен толтырып тұратын өріс ұғымын енгізу. Д. Максвелл Фарадейдің идеялары негізінде тәжірибе жүзінде дәлелденген зарядтар мен токтар жүйесі туғызатын электромагниттік өріс теориясын жасады. Магнит өрісі өзгергенде айнымалы электр өрісінің пайда болуы құбылысын зерттей отырып Максвелл: магнит өрісінің кезкелген өзгерісі қоршаған кеңістікте құйынды электр өрісін туғызады, деді.

Электромагниттік толқындар - кеңістікте айнымалы электромагниттік өрістердің таралуы.

Электромагниттік толқынның теориялық есептеулер арқылы табылған вакуумдегі жылдамдығы тікелей өлшенген жарық жылдамдығына тең болуының маңызы ерекше. Жарық – электромагниттік толқын болып шықты.

Электр өрісінің \(\vec E\) кернеулік векторы, магнит индукция \(\vec B\) векторы тербелістерінің фазалары кезкелген нүктеде сәйкес. \(\vec E\) мен \(\vec B\) векторлары бағыты және толқындардың таралу бағыты өзара перпендикуляр. Электромагниттік толқындар – көлденең толқындар.

Бірдей фазада тербелетін ең жақын екі нүктенің арақашықтығы электромагниттік толқының ұзындығы деп аталады \(\lambda = cT = \frac c\nu\) Электромагниттік толқының негізгі сипаттамасы оның тербеліс жиілігі ν. Себебі электромагниттік толқын бір ортадан екінші ортаға өткенде толқын ұзындығы өзгереді, ал жиілігі тұрақты болып қалады. Электромагниттік толқын электр зарядтарының үдемелі қозғалысы кезінде туындайды. Электромагниттік толқынның энергетикалық сипаттамаларының бірі - электромагниттік толқын шығару ағының тығыздығы. Ол толқынның таралу бағытына перпендикуляр ауданы \(S\) беттен \(\bigtriangleup t\) уақыт ішінде өтетін электромагниттік \(W\) энергияның беттің ауданы мен энергияның өту уақыты көбейтіндісіне қатынасы:

\(I=\frac W{S\bigtriangleup t}\) немесе \(I=\frac{P_{орт}}S\)

Яғни, толқынның шығару ағынының тығыздығы беттің бірлік ауданнан бір периодта өтетін электромагниттік толқын шығарудың орташа қуаты немесе оны толқынның интенсивтілігі деп атайды. Х.Б. жүйесінде оның өлшем бірлігі \(Вт/м^2.\)

Жазық электромагниттік толқын тарайтын кеңістіктің \(\bigtriangleup V\) көлемінен \(\bigtriangleup t\) уақыт ішінде белгілі бір энергия өтіп үлгереді. Бұл элекромагниттік өріс энергиясы

\(W=w\cdot\bigtriangleup V=w\cdot S\cdot c\cdot\bigtriangleup t\)

мұндағы \(w\) - элекромагниттік толқын энергиясының тығыздығы. Олай болса \(I=w\cdot c.\)

Элекромагниттік толқын шығару ағынының тығыздығы электромагниттік энергия тығыздығы мен толқының таралу жылдамдығының көбейтіндісіне тең.

\(I=\frac W{S\bigtriangleup t}=\frac W{4\pi\bigtriangleup t}\cdot\frac 1{R^2}\) - нүктелік көзден шығатын толқының интенсивтілігі арақашықтықтың квадратына кері пропорционал.

Енді электромагниттік толқының электр өрісінің және магнит өрісінің энергияларының тығыздықтары өзара тең

\(w_э=\frac{\varepsilon_0\varepsilon E^2}2\ \ \ \ w_м=\frac{B^2}{2\mu_0\mu}\)

Олай болса электромагниттік өріс энергиясының тығыздығы \(w=w_э+w_М=2w_э.\) Электр өрісінің кернеулігі және магнит өрісінің индукциясы \(E\sim a\sim\omega^2\) немесе \(B\sim a\sim\omega^2.\) олай болса өрістің энергия тығыздықтары \(w_э=\frac{\varepsilon_0\varepsilon E^2}2\sim\omega^4\) және \(w_M=\frac{B^2}{2\mu_0\mu}\sim\omega^4.\) Сондықтан электромагниттік толқының интенсивтілігі жиіліктің төртінші дәрежесіне пропорционал \(I=w\cdot c\sim\omega^4.\)

Электромагниттік толқындарды жиілік бойынша жіктеу электромагниттік толқындар шкаласы деп аталады. Олар \((v=10^{-3}Гц)\) төменгі жиілікті толқындар мен радиотолқындардан бастап, гамма сәулелерге дейінгі \((v<10^{21}Гц)\) аралықты қамтиды.

Электромагниттік толқындардың қасиеттері (механикалық толқындармен салыстыру)

а) Шағылу	ә) Сыну	б) Дифракция

а) Шағылу заңы бойынша түскен, шағылған сәулелер және түсу нүктесінен шағылдырушы бетке тұрғызылған перпендикуляр бір жазықтықта жатады; сәуленің бетке түсу бұрышы шағылу бұрышына тең ∠\(a\)=∠\(\beta\).

б) Сыну заңы: түскен, сынған сәулелер және түсу нүктесінен екі ортаның шекарасына тұрғызылған перпендикуляр бір жазықтықта жатады; түсу бұрышы синусының сыну бұрышы синусына қатынасы сәуленің түсу бұрышына тәуелді емес, тек 1-ортадағы толқын жылдамдығының 2-ортадағы жылдамдығына қатынасы тең.

в) Интерференция – әр түрлі толқын көзінен таралған толқындардың қосылуы	г) Поляризациялану
\(\bigtriangleup r\) – толқындардың жүрген жол айырымы \(n=0, 1, 2\dots\)	Поляризация 09былысы электромагниттік толқынның көлденең толқын екенін дәлелдейді

д) Дисперсия ‒ортада толқын жылдамдығының оның жиілігіне тәуелділігі

1895 жылы 7 мамырда орыс ғалымы А.С.Попов Ресейдің физика-химия қоғамының мәжілісінде тәжірибе жүзінде радиотолқындар арқылы байланыс жасауды жүзеге асыратын радионы демонстрациялады. 1896 жылы 24 наурызда әлемде бірінші рет 250 метр қашықтыққа сымсыз, екі сөзден тұратын «Генрих Герц» деген радиограмма таратып, оны қабылдады. Байланыстың бұл түрі радиотелеграфтық байланыс деп аталды. Кейін американдық инженер Д. Форес үш электродты шамды − триодты ойлап тапқаннан кейін радиотелефондық байланыс жүзеге асты. Радио және телехабарларда, радиобайланыста, радиолокация мен радионавигацияда қолданылатын электромагниттік толқындарды радиотолқындар деп атайды. Радиотолқындар арқылы объектіні тауып, оған дейінгі қашықтықты және оның кеңістіктегі орынын, қозғалыс жылдамдығын анықтау радиолокация деп аталады. Бұл радиолокатор немесе радар арқылы жүзеге асады. Радиолокатор импульстік режимде жұмыс істейді. Әр импульстің ұзақтығы \(10^{-6}\) с шамасындай. Электромагниттік толқынның объектіге барып және шағылып қайту уақытын өлшеу арқылы арақашықтықты анықтайды: \(l=c\frac t2,\) мұндағы \(c=3\cdot 10^8\) м/с радиотолқының вакуумде таралу жылдамдығы.