Elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Strahlung, Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Im Jahr 1864 sagte James Clerk Maxwell die Möglichkeit elektromagnetischer Wellen im Weltraum voraus. Er stellte diese Behauptung auf der Grundlage der Schlussfolgerungen auf, die aus der Analyse aller damals bekannten experimentellen Daten zu Elektrizität und Magnetismus abgeleitet wurden.

Maxwell kombinierte mathematisch die Gesetze der Elektrodynamik, indem er elektrische und magnetische Phänomene verband, und kam so zu dem Schluss, dass sich elektrische und magnetische Felder, die sich mit der Zeit ändern, gegenseitig erzeugen.

Zunächst betonte er die Tatsache, dass die Beziehung zwischen magnetischen und elektrischen Phänomenen nicht symmetrisch ist, und führte den Begriff „elektrisches Wirbelfeld“ ein und bot damit seine eigene, wirklich neue Erklärung für das von Faraday entdeckte Phänomen der elektromagnetischen Induktion: „jede Änderung des Magnetischen.“ Das Feld führt dazu, dass im umgebenden Raum ein elektrisches Wirbelfeld mit geschlossenen Kraftlinien entsteht.

Laut Maxwell trifft auch die gegenteilige Aussage zu, dass „ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld im umgebenden Raum erzeugt“, diese Aussage blieb jedoch zunächst nur eine Hypothese.

Maxwell schrieb ein System mathematischer Gleichungen auf, die die Gesetze der gegenseitigen Transformationen magnetischer und elektrischer Felder konsequent beschreiben. Diese Gleichungen wurden später zu den Grundgleichungen der Elektrodynamik und wurden zu Ehren des großen Wissenschaftlers, der schrieb, „Maxwell-Gleichungen“ genannt sie nieder. Maxwells Hypothese, die auf den schriftlichen Gleichungen basiert, führt zu mehreren Schlussfolgerungen, die für Wissenschaft und Technologie äußerst wichtig sind und im Folgenden dargestellt werden.

Es gibt elektromagnetische Wellen

Im Raum können transversale elektromagnetische Wellen existieren, die sich über die Zeit ausbreiten elektromagnetisches Feld… Dass die Wellen transversal sind, zeigt sich daran, dass die Vektoren der magnetischen Induktion B und der elektrischen Feldstärke E senkrecht zueinander stehen und beide in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle liegen.

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit endlicher Geschwindigkeit aus

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in einem bestimmten Stoff ist endlich und wird durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Stoffes bestimmt, durch den sich die Welle ausbreitet. Die Länge der Sinuswelle λ steht dabei in einem bestimmten exakten Verhältnis λ = υ / f zur Geschwindigkeit υ und hängt von der Frequenz f der Feldschwingungen ab. Die Geschwindigkeit c einer elektromagnetischen Welle im Vakuum ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten – die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Da Maxwell angab, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle endlich sei, entstand ein Widerspruch zwischen seiner Hypothese und der damals akzeptierten Theorie der Wirkung auf große Entfernungen, wonach die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen unendlich sein sollte. Daher wird Maxwells Theorie als Theorie der Kurzstreckenwirkung bezeichnet.

Eine elektromagnetische Welle ist ein elektrisches und ein magnetisches Feld, die sich gegenseitig ineinander umwandeln.

In der elektromagnetischen Welle erfolgt die Umwandlung des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes gleichzeitig ineinander, daher sind die Volumendichten der magnetischen und elektrischen Energie einander gleich. Daher gilt, dass die Moduli der Elektrische Feldstärke und magnetische Feldinduktion hängen an jedem Punkt im Raum durch folgenden Zusammenhang miteinander zusammen:

Elektromagnetische Wellen transportieren Energie

Eine elektromagnetische Welle erzeugt bei ihrer Ausbreitung einen Fluss elektromagnetischer Energie, und wenn wir die Fläche in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle berücksichtigen, dann bewegt sich eine bestimmte Menge elektromagnetischer Energie in a durch sie hindurch kurze Zeit. Die elektromagnetische Energieflussdichte ist die Energiemenge, die von einer elektromagnetischen Welle pro Flächeneinheit und Zeiteinheit über eine Oberfläche transportiert wird. Durch Einsetzen der Werte der Geschwindigkeit sowie der magnetischen und elektrischen Energie ist es möglich, einen Ausdruck für die Flussdichte in Form der Größen E und B zu erhalten.

Poynting-Vektor – Vektor des Energieflusses der Welle

Da die Ausbreitungsrichtung der Wellenenergie mit der Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle übereinstimmt, kann der sich in der elektromagnetischen Welle ausbreitende Energiefluss über einen Vektor eingestellt werden, der gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle gerichtet ist. Dieser Vektor wird „Poynting-Vektor“ genannt – zu Ehren des britischen Physikers Henry Poynting, der 1884 die Theorie der Ausbreitung des Energieflusses eines elektromagnetischen Feldes entwickelte. Die Flussdichte der Wellenenergie wird in W/m2 gemessen.

Elektromagnetische Wellen drücken auf Körper, die sie reflektieren oder absorbieren

Wenn ein elektrisches Feld auf einen Stoff einwirkt, entstehen darin kleine Ströme, die die geordnete Bewegung elektrisch geladener Teilchen darstellen. Diese Ströme im Magnetfeld einer elektromagnetischen Welle unterliegen der Wirkung der Ampere-Kraft, die tief in die Substanz hinein gerichtet ist. Dadurch erzeugt die Amperekraft Druck.

Dieses Phänomen wurde später, im Jahr 1900, vom russischen Physiker Pjotr ​​​​Nikolajewitsch Lebedew untersucht und empirisch bestätigt, dessen experimentelle Arbeit für die Bestätigung von Maxwells Theorie des Elektromagnetismus und deren Akzeptanz und Anerkennung in der Zukunft von großer Bedeutung war.

Die Tatsache, dass die elektromagnetische Welle Druck ausübt, ermöglicht es, das Vorhandensein eines mechanischen Impulses im elektromagnetischen Feld abzuschätzen, der pro Volumeneinheit durch die volumetrische Dichte der elektromagnetischen Energie und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Vakuum ausgedrückt werden kann:

Da der Impuls mit der Bewegung der Masse zusammenhängt, ist es möglich, einen solchen Begriff als elektromagnetische Masse einzuführen, und dann wird dieses Verhältnis (gemäß STR) für eine Volumeneinheit den Charakter eines universellen Naturgesetzes annehmen und gültig sein für alle materiellen Körper, unabhängig von der Form der Materie. Dann ähnelt das elektromagnetische Feld einem materiellen Körper – es hat die Energie W, die Masse m, den Impuls p und die Endgeschwindigkeit v. Das heißt, das elektromagnetische Feld ist eine der in der Natur tatsächlich vorkommenden Materieformen.

Endgültige Bestätigung von Maxwells Theorie

Erstmals im Jahr 1888 bestätigte Heinrich Hertz experimentell Maxwells elektromagnetische Theorie. Er bewies empirisch die Realität elektromagnetischer Wellen und untersuchte deren Eigenschaften wie Brechung und Absorption in verschiedenen Medien sowie die Reflexion von Wellen an Metalloberflächen.

Hertz misst die Wellenlänge elektromagnetische Strahlungund zeigte, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Hertz‘ experimentelle Arbeit war der letzte Schritt zur Akzeptanz von Maxwells elektromagnetischer Theorie. Sieben Jahre später, im Jahr 1895, nutzte der russische Physiker Alexander Stepanowitsch Popow elektromagnetische Wellen, um drahtlose Kommunikation zu schaffen.

Elektromagnetische Wellen werden nur durch beschleunigte bewegte Ladungen angeregt

In Gleichstromkreisen bewegen sich die Ladungen mit konstanter Geschwindigkeit und die elektromagnetischen Wellen werden in diesem Fall nicht in den Weltraum abgestrahlt. Damit es zu Strahlung kommt, ist es notwendig, eine Antenne zu verwenden, in der Wechselströme, also Ströme, fließen die schnell ihre Richtung ändern, wären aufgeregt.

In seiner einfachsten Form eignet sich ein kleiner elektrischer Dipol zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, bei denen sich das Dipolmoment mit der Zeit schnell ändern würde. Ein solcher Dipol wird heute als „Hertzscher Dipol“ bezeichnet, dessen Größe um ein Vielfaches kleiner ist als die von ihm emittierte Wellenlänge.

Bei der Emission von einem Hertzschen Dipol fällt der maximale Fluss elektromagnetischer Energie auf eine Ebene senkrecht zur Achse des Dipols. Entlang der Dipolachse gibt es keine Strahlung elektromagnetischer Energie. In den wichtigsten Experimenten von Hertz wurden Elementardipole sowohl zum Senden als auch zum Empfangen elektromagnetischer Wellen verwendet, was die Existenz elektromagnetischer Wellen bewies.