UNDELE ELECTROMAGNETICE

19:08 0 Comments

a.* Existenţa undelor electromagnetice
Din teoria lui Maxwell despre cîmpul electromagnetic şi propagarea lui în spaţiu rezultă cîteva proprietăţi importante ale undelor electromagnetice, pe care le formulăm fără a le demonstra:
Vectorii E şi B din unda electromagnetică sînt întotdeauna reciproc perpendiculari: E _L B (fig. 3.5). Direcţia şi sensul de propagare a undei electromagnetice sînt determinate de regula burghiului de dreapta. Unda se propagă în sensul înaintării burghiului, atunci cînd el este rotit de la vectorul E spre vectorul B (fig. 3.5). Chiar dacă sensul vectorilor E şi B se modifică continuu, unda electromagnetică are întotdeauna unul şi acelaşi sens de propagare.
Undele electromagnetice reprezintă unde transversale. Din figura 3.5 se observă că vectorii E şi B întotdeauna sînt perpendiculari pe direcţia de propagare.
Viteza de propagare a undelor electromagnetice este finită. Maxwell a demonstrat că în medii omogene această viteză se determină din relaţia
v= 7=---- , (3-5)
'V^oUfioH'r
F H
unde e0 = lj(fin ■ 9 • IO9) — şi p0 = 4n ■ KT7 — sînt, respectiv, constantele electrică şi magnetică ale vidului, iar £r şi pr sînt permitivitatea şi permeabilitatea relative ale mediului. Din (3.5) rezultă că în vid unda electromagnetică se propagă cu viteza
47T-9-109 m2 4n-10~7 F-H
= 3-108 —= c. (3.6) s
Se observă că în vid viteza undei electromagnetice este egală cu viteza luminii. Acest rezultat l-a determinat pe Maxwell să înainteze ipoteza despre natura electromagnetică a luminii.
Din (3.5) şi (3.6) rezultă că viteza de propagare a undei electromagnetice într-un mediu este:
v = ~T=- (3-7)
VUIA
Undele electromagnetice transportă energie.
Această energie se conţine în cîmpurile electric şi magnetic ale undei electromagnetice şi este transportată în direcţia şi sensul de propagare al acesteia.
b. Propagarea undelor electromagnetice
Interdependenţa cîmpurilor variabile electric şi magnetic determină nu numai existenţa cîmpului electromagnetic, dar şi o proprietate fundamentală a acestuia de a se propaga în spaţiu şi timp. într-ade- văr, un cîmp electric variabil generează în spaţiul înconjurător un cîmp magnetic, de asemenea variabil. Acesta, la rîndul său, produce în regiunea imediat următoare alt cîmp electric variabil ş.a.m.d. Aşadar o perturbaţie a cîmpului electromagnetic se propagă în spaţiu din aproape în aproape prin intermediul unui proces oscilatoriu.
I Perturbaţia cîmpului electromagnetic ce se propagă în spaţiu se numeşte undă electromagnetică.
I Distanţa la care se propagă unda electromagnetică în timp de o perioadă T, este numită iuingime de undă A.
Dacă viteza de propagare a undei este v, atunci = vT = $, (3.8)
unde v = l/T este frecvenţa oscilaţiilor. Este important să menţionăm că viteza de propagare a undelor electromagnetice este foarte mare. în aer ea este practic egală cu viteza luminii în vid c. în acest caz, lungimea de undă este dată de relaţia
X = cT = ~. (3.9)
v
Concluzia principală din teoria lui Maxwell despre existenţa undelor electromagnetice a fost confirmată experimental în anul 1888, după aproape zece ani de la moartea lui, de către fizicianul german H. Hertz (1857-1894).
Pentru obţinerea undelor electromagnetice Hertz a folosit dispozitivul inventat de el numit oscilator. Acesta constă din două tije, între capetele cărora se produce o descărcare electrică, adică se creează un cîmp electric variabil. Se poate considera că oscilatorul lui Hertz este un circuit oscilant deschis.
47
Fig. 3.7
într-adevăr, în circuitul oscilant studiat anterior {fig. 3.6, a), cîmpurile electric şi magnetic variabile nu se propagă în spaţiu, deoarece sînt practic localizate între armăturile condensatorului şi, respectiv, în interiorul bobinei. Mai mult ca atît, în acest circuit curenţii prin ramurile lui au sensuri opuse şi cîmpurile magnetic şi electric generate de diferite porţiuni ale circuitului se compensează reciproc. Asemenea circuit mai este numit circuit oscilant închis. Dacă însă armăturile condensatorului se îndepărtează una de alta, iar spirele bobinei se întind, atunci liniile de cîmp ocupă regiuni tot mai mari ale spaţiului, iar porţiunile de circuit în care sensul curentului este opus rămîn tot mai puţine {fig. 3.6, b, c). Astfel, se obţine circuitul oscilant deschis, numit şi dipol, care reprezintă un conductor drept, parcurs de curent doar într-o singură direcţie {fig. 3.6, d).
Pentru excitarea oscilaţiilor, Hertz a tăiat conductorul lăsînd la mijloc un spaţiu mic. La cele două părţi ale conductorului se aplică o diferenţă de potenţial înaltă, astfel incit în spaţiul mic să apară scînteia de descărcare, datorită căreia în dipol iau naştere oscilaţii ale curentului electric, deci şi unde electromagnetice.
Dipolul folosit pentru emisia în spaţiu a undelor electromagnetice de o anumită frecvenţă sau pentru recepţia lor este numit antenă.
Procesul de propagare a cîmpului electromagnetic de la antena de emisie pînă la cea de recepţie este ilustrat în figura 3.7. Liniile de cîmp electric {fig. 3.7, a) şi cel magnetic {fig. 3.7, b) sînt prezentate separat la diferite momente de timp în decursul unei perioade T. Evident, configuraţia liniilor de cîmp în unda electromagnetică se obţine prin suprapunerea figurilor 3.7, a şi b.
Fie la momentul de timp t'= 0 curentul în dipol este maxim. în jurul lui există un cîmp magnetic de inducţie maximă. în decursul primului sfert de perioadă intensitatea curentului în dipol se micşorează pînă la zero, iar variaţia în timp a cîmpului magnetic determină apariţia unui cîmp electric turbionar. La momentul t = 774 cîmpul electric are intensitatea maximă, fiind înconjurat de cîmpul magnetic generat de variaţia lui. După cum se observă şi din figura 3.7, la acest moment cîmpul magnetic se desprinde complet de dipol începînd propagarea sa în spaţiu.
în următorul sfert de perioadă intensitatea cîmpului electric legat de dipol se micşorează pînă la zero, concomitent producînd un cîmp magnetic de inducţie crescătoare, dar de sens opus celui iniţial. Acesta, la rîndul său, generează un cîmp electric cu linii închise. Astfel, la momentul t = TI2 are loc desprinderea cîmpului electric de dipol. în decursul celei de a doua semiperioade procesul descris se repetă, însă cîmpurile electric şi magnetic au sensuri inversate.
© Verificaţi-vă cunoştinţele
1. *Ce proprietăţi ale undelor electromagnetice rezultă
din teoria lui Maxwell?
2. Ce se numeşte undă electromagnetică?
3. Care este relaţia dintre lungimea de undă, frecvenţă şi viteza de propagare?
4. Ce reprezintă oscilatorul lui Hertz? Cum se obţine circuitul oscilant deschis?
5. Cum se explică propagarea undei electromagnetice? 6*Un circuit oscilant deschis are capacitatea de 5 nF
şi inductanţa de 0,2 mH. Determinaţi lungimea de undă emisă de acest circuit.