Ondes électromagnétiques, rayonnement électromagnétique, propagation des ondes électromagnétiques

En 1864, James Clerk Maxwell a prédit la possibilité d'ondes électromagnétiques dans l'espace. Il a fait cette affirmation sur la base des conclusions tirées de l'analyse de toutes les données expérimentales connues à cette époque concernant l'électricité et le magnétisme.

Maxwell a mathématiquement combiné les lois de l'électrodynamique, reliant les phénomènes électriques et magnétiques, et est ainsi arrivé à la conclusion que les champs électriques et magnétiques, qui changent avec le temps, s'engendrent.

Initialement, il a souligné le fait que la relation entre les phénomènes magnétiques et électriques n'est pas symétrique et a introduit le terme "champ électrique de Foucault", offrant sa propre explication vraiment nouvelle du phénomène d'induction électromagnétique découvert par Faraday : "tout changement dans le champ magnétique conduit à l'apparition dans l'espace environnant d'un champ électrique vortex avec des lignes de force fermées ».

Selon Maxwell, l'affirmation contraire selon laquelle "un champ électrique changeant produit un champ magnétique dans l'espace environnant" est également vraie, mais cette affirmation n'est initialement restée qu'une hypothèse.

Maxwell a écrit un système d'équations mathématiques qui décrivent de manière cohérente les lois des transformations mutuelles des champs magnétiques et électriques, ces équations sont devenues plus tard les équations de base de l'électrodynamique et ont commencé à être appelées "équations de Maxwell" en l'honneur du grand scientifique qui a écrit les vers le bas. L'hypothèse de Maxwell, basée sur les équations écrites, a plusieurs conclusions extrêmement importantes pour la science et la technologie, qui sont présentées ci-dessous.

Les ondes électromagnétiques existent

Des ondes électromagnétiques transversales peuvent exister dans l'espace et se propager dans le temps Champ électromagnétique… Le fait que les ondes sont transversales est illustré par le fait que les vecteurs de l'induction magnétique B et de l'intensité du champ électrique E sont mutuellement perpendiculaires et se trouvent tous deux dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde électromagnétique.

Les ondes électromagnétiques se propagent à une vitesse finie

La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans une substance donnée est finie et est déterminée par les propriétés électriques et magnétiques de la substance à travers laquelle l'onde se propage. La longueur de l'onde sinusoïdale λ dans ce cas est liée à la vitesse υ avec un certain rapport exact λ = υ / f et dépend de la fréquence f des oscillations du champ. La vitesse c d'une onde électromagnétique dans le vide est l'une des constantes physiques de base — la vitesse de la lumière dans le vide.

Parce que Maxwell affirmait que la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique était finie, cela créait une contradiction entre son hypothèse et la théorie de l'action à longue distance acceptée à l'époque, selon laquelle la vitesse de propagation des ondes était supposée infinie. Par conséquent, la théorie de Maxwell s'appelle la théorie de l'action à courte portée.

Une onde électromagnétique est un champ électrique et magnétique qui se transforme mutuellement.

Dans l'onde électromagnétique, la transformation du champ électrique et du champ magnétique l'un dans l'autre se produit en même temps, donc les densités volumiques de l'énergie magnétique et électrique sont égales l'une à l'autre.Par conséquent, il est vrai que les modules du l'intensité du champ électrique et l'induction du champ magnétique sont liées l'une à l'autre en tout point de l'espace par la connexion suivante :

Les ondes électromagnétiques transportent de l'énergie

Une onde électromagnétique en cours de propagation crée un flux d'énergie électromagnétique, et si l'on prend en compte la zone dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, alors une certaine quantité d'énergie électromagnétique la traversera dans un court instant. La densité de flux d'énergie électromagnétique est la quantité d'énergie transportée par une onde électromagnétique à travers une surface par unité de surface par unité de temps. En substituant les valeurs de la vitesse, ainsi que l'énergie magnétique et électrique, il est possible d'obtenir une expression de la densité de flux en fonction des quantités E et B.

Vecteur de Poynting - vecteur du flux d'énergie de l'onde

Comme la direction de propagation de l'énergie des ondes coïncide avec la direction de la vitesse de propagation de l'onde, le flux d'énergie se propageant dans l'onde électromagnétique peut être fixé à l'aide d'un vecteur dirigé de la même manière que la vitesse de propagation de l'onde. Ce vecteur s'appelle le «vecteur de Poynting» - en l'honneur du physicien britannique Henry Poynting, qui a développé en 1884 la théorie de la propagation du flux d'énergie d'un champ électromagnétique. La densité de flux d'énergie des vagues est mesurée en W/m2.

Les ondes électromagnétiques pressent contre les corps qui les réfléchissent ou les absorbent

Lorsqu'un champ électrique agit sur une substance, de petits courants y apparaissent, qui sont le mouvement ordonné de particules chargées électriquement. Ces courants dans le champ magnétique d'une onde électromagnétique sont soumis à l'action de la force Ampère, qui est dirigée profondément dans la substance. En conséquence, la force d'Ampère génère une pression.

Ce phénomène a ensuite été, en 1900, étudié et confirmé empiriquement par le physicien russe Pyotr Nikolayevich Lebedev, dont les travaux expérimentaux ont été très importants pour confirmer la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell et son acceptation et son approbation dans le futur.

Le fait que l'onde électromagnétique exerce une pression permet d'estimer la présence d'une impulsion mécanique dans le champ électromagnétique, qui peut s'exprimer par unité de volume par la densité volumique d'énergie électromagnétique et la vitesse de propagation de l'onde dans le vide :

Étant donné que la quantité de mouvement est liée au mouvement de la masse, il est possible d'introduire un concept tel que la masse électromagnétique, puis pour un volume unitaire, ce rapport (conformément à STR) prendra le caractère d'une loi universelle de la nature et sera valide pour tout corps matériel quelle que soit la forme de la matière. Alors le champ électromagnétique est similaire à un corps matériel — il a une énergie W, une masse m, une quantité de mouvement p et une vitesse terminale v. Autrement dit, le champ électromagnétique est l'une des formes de matière existant réellement dans la nature.

Confirmation finale de la théorie de Maxwell

Pour la première fois en 1888, Heinrich Hertz confirma expérimentalement la théorie électromagnétique de Maxwell. Il a prouvé empiriquement la réalité des ondes électromagnétiques et a étudié leurs propriétés telles que la réfraction et l'absorption dans divers milieux, ainsi que la réflexion des ondes sur les surfaces métalliques.

Hertz mesure la longueur d'onde un rayonnement électromagnétique, et a montré que la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est égale à la vitesse de la lumière. Le travail expérimental de Hertz était la dernière étape vers l'acceptation de la théorie électromagnétique de Maxwell. Sept ans plus tard, en 1895, le physicien russe Alexander Stepanovich Popov a utilisé des ondes électromagnétiques pour créer une communication sans fil.

Les ondes électromagnétiques ne sont excitées que par des charges en mouvement accélérées

Dans les circuits à courant continu, les charges se déplacent à vitesse constante et les ondes électromagnétiques dans ce cas ne sont pas émises dans l'espace.Pour qu'il y ait rayonnement, il faut utiliser une antenne dans laquelle les courants alternatifs, c'est-à-dire les courants qui changeaient rapidement de direction, s'excitaient.

Dans sa forme la plus simple, un dipôle électrique de petite taille est adapté pour rayonner des ondes électromagnétiques où le moment dipolaire changerait rapidement avec le temps. Un tel dipôle est aujourd'hui appelé "dipôle hertzien", dont la taille est plusieurs fois inférieure à la longueur d'onde qu'il émet.

Lorsqu'il est émis à partir d'un dipôle hertzien, le flux maximal d'énergie électromagnétique tombe sur un plan perpendiculaire à l'axe du dipôle. Il n'y a pas de rayonnement d'énergie électromagnétique le long de l'axe du dipôle. Dans les expériences les plus importantes de Hertz, des dipôles élémentaires ont été utilisés à la fois pour émettre et recevoir des ondes électromagnétiques, prouvant l'existence d'ondes électromagnétiques.