Ondes électromagnétiques. Ondes électromagnétiques dans la nature et la technologie Heinrich Rudolf La nature des ondes électromagnétiques dans le vide

L’existence des ondes électromagnétiques a été prédite théoriquement par Maxwell comme conséquence directe des équations du champ électromagnétique. La vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide s'est avérée égale à . Ses valeurs numériques coïncidaient presque avec la vitesse de la lumière dans le vide, égale, selon les mesures de Fizeau en 1849, à 3,15 × 108 m/s. Une autre coïncidence importante dans les propriétés des ondes électromagnétiques et de la lumière est due à la nature transversale des ondes. La transversalité des ondes électromagnétiques découle des équations de Maxwell, et la transversalité des ondes lumineuses découle des expériences sur la polarisation de la lumière (Young 1817). Ces deux faits ont amené Maxwell à conclure que la lumière est constituée d’ondes électromagnétiques.

Les équations de Maxwell pour le vide en l'absence de courants ( J.= 0) et les charges (r = 0) et ont la forme suivante

Où e0 et m0 sont respectivement les constantes électriques et magnétiques. L'équation (1) montre que le champ magnétique est généré par un champ électrique alternatif. L'équation (2) est une formulation mathématique de la loi de l'induction électromagnétique. L’équation suivante exprime le fait qu’il n’y a pas de champ électrique statique dans le vide. L'équation (4) postule l'absence de charges magnétiques. Application de l'opération aux deux côtés de l'équation (1) Pourrir, nous obtenons

, (6)

Où les relations (5) sont prises en compte et il est pris en compte que l'ordre de différenciation par variables indépendantes (coordonnées spatiales et temps) peut être modifié. En appliquant la relation pour les opérateurs différentiels connue de l'analyse vectorielle, nous écrivons

Ici D est l'opérateur de Laplace, qui en coordonnées cartésiennes s'écrit

Puisque dans le cas considéré, à partir de la relation (6) prenant en compte l'équation (2) on obtient l'équation du vecteur :

, (7)

Où — vitesse de la lumière dans le vide.

De même, en appliquant l'opération de pourriture aux deux côtés de l'égalité (2), nous obtenons une équation pour l'opérateur :

(8)

Les équations (7), (8) sont linéaires sur le terrain. Elles sont donc équivalentes à un ensemble d'équations scalaires de même forme, dont chacune ne comprend qu'une seule composante cartésienne de l'intensité du champ électrique ou magnétique.

Et (une = x, y, Z) (9)

Les équations (7), (8), (9) sont appelées équations d'ondes. Leurs solutions ont le caractère de propager des ondes.

Onde plane.

Supposons qu'une composante arbitraire du champ Ф (par exemple Eα ou Hα) dépend d'une seule coordonnée spatiale, par exemple Z, et le temps, c'est-à-dire Ф = Ф( Z,T). Alors l’équation (9) sera simplifiée et prendra la forme

(10)

L'équation (10) est satisfaite par une fonction de la forme :

Où Ф1 et Ф2 sont des fonctions arbitraires (différentiables) de leurs arguments.

La formule (11) exprime la solution générale de l'équation (10). Il décrit la superposition de deux vagues. Le premier d’entre eux s’étend le long, et le second – contre l’axe Z. Les vitesses des deux vagues sont identiques et égales AVEC. En effet, la perturbation F1, qui était à l'instant T 1 au point Z 1, pour le moment T 2 vient au point Z 2, déterminé par la relation T 1 – z1/c = t2 – Z 2/C. Par conséquent, à T 2 > T 1 on a z2 > z1 et la vitesse de propagation de la perturbation des ondes est égale à V= (z2 – z1)/(t2 – t1) = c.

Fonctions Ф1 = Ф( Z, T) et Ф2 = Ф2( Z, T) décrivent des ondes planes, puisque la perturbation des ondes a la même valeur en tous points d'un plan infini perpendiculaire à la direction de propagation. La forme spécifique des fonctions Ф1 et Ф2 est déterminée par les conditions initiales et aux limites du problème.

Précisons la loi des changements du champ lumineux dans le temps et dans l'espace. Considérons, par exemple, la composante champ cartésien E(Z, T). Laissez à Z = 0 E(0, T) = UN Cos(wt), c'est-à-dire que l'intensité du champ lumineux change selon une loi harmonique. Alors, conformément à (11), dans la région avec Z≥0 une onde harmonique plane se propagera

Dans cette expression E 0 – amplitude de l'onde, w – fréquence circulaire associée à la période T et fréquence d'oscillation n = relations 1/T

Possibilités K Et Z, défini comme

Il existe respectivement un numéro d’onde et une longueur d’onde. Quantité j = w T – Kz est appelée la phase totale de l'onde et dépend de T Et Z. Phase j = Kz, associé à un changement du chemin parcouru par l'onde, est appelé déphasage ou déphasage.

L'emplacement géométrique des points ayant la même valeur de phase est appelé front d'onde. Dans une onde harmonique plane, le front d’onde est un plan perpendiculaire à la direction de propagation.

Laissez une onde harmonique plane se propager dans une direction arbitraire spécifiée par le vecteur unitaire. Les surfaces des phases permanentes ont la forme de plans perpendiculaires au vecteur (Fig. 1). Introduisons le vecteur d'onde

Le vecteur indique la direction de propagation des ondes et sa magnitude est égale au nombre d'onde K= avec C. Notons la distance parcourue par l'onde dans la direction passant par x et traçons un vecteur depuis l'origine jusqu'à un point arbitraire sur le front d'onde. Ensuite, comme on peut le voir sur la Fig. 1,

En utilisant la dernière relation, on obtient

Maintenant, le champ d'ondes peut être représenté comme

Avec un changement harmonique dans le temps des intensités des champs électriques et magnétiques, la fréquence reste constante. En optique, on ne parle souvent pas d'harmoniques, mais de Monochromatique vague. Monochromatique signifie « une couleur ». Ce terme est apparu parce que, dans le domaine visible, l'œil enregistre un changement dans la fréquence du rayonnement sous la forme d'un changement de couleur.

À l'avenir, pour la dépendance de l'intensité du champ dans une onde aux coordonnées et au temps, au lieu de (13), il sera pratique d'utiliser une notation complexe, en tenant compte de la formule d'Euler

Ampleur E 0 en (14) peut être réel ou complexe. Considérant que de manière générale :

Et tan j = Je suis( E 0)/Ré( E 0), on écrit l'expression (14) sous la forme

,

Où | E 0| est l'amplitude d'une onde plane, j est la phase initiale des oscillations au point = 0. On omettra le signe « Re » et le signe du module lors de l'écriture, sans oublier cependant que seule la partie réelle du complexe les expressions utilisées ont une signification physique.

(15)

La notation complexe est particulièrement pratique car lorsqu'elle est utilisée, l'intensité du champ se différencie dans le temps ¶/¶ T se réduit, comme le montre (15), simplement à la multiplication par iw. Le produit scalaire peut s’écrire ( Kx· X + Ky· X + Kz· X), donc la différenciation, par exemple, par rapport à la coordonnée x se réduit à la multiplication par Ixx.

Il est facile de vérifier que les équations (9) sont également satisfaites par des ondes de la forme

Dans lequel les intensités de champ ne dépendent que d'une seule variable spatiale - le module du rayon vecteur.

De telles ondes sont dites sphériques.

Considérons l'équation des ondes scalaires

Et nous chercherons sa solution de la forme Ф = Ф( T,R.). Pour une fonction sphériquement symétrique Ф, l'opérateur de Laplace a la forme

Par conséquent, l’équation des vagues sera réécrite comme suit

Introduisons une fonction auxiliaire F = R. F. Ensuite, la dernière équation est transformée sous une forme similaire à (10) :

Et donc sa solution générale se présentera sous la forme d’une superposition de deux ondes se propageant dans des directions opposées :

En revenant à la fonction Ф recherchée, on obtient

(16)

L'expression (16) décrit deux ondes sphériques. Le premier terme représente une onde se déplaçant dans le sens de valeurs r croissantes, c'est-à-dire à partir du centre où se trouve la source ponctuelle. Cette vague s'appelle Divergent. Le deuxième terme décrit une onde se déplaçant dans le sens d’une diminution de la valeur de r, c’est-à-dire vers le centre. Cette vague s'appelle Convergent. La valeur de Ф à un instant fixe sur une sphère de rayon constant est constante.

Si sur une sphère de rayon r0 on précise une perturbation harmonique qui est en phase en tous points de la sphère

,

Alors l’onde divergente excitée par une telle source pour r > r0 peut être représentée sous la forme :

Ici, contrairement à une onde plane, l'amplitude dépend de la coordonnée, et les fronts de phase et d'amplitude sont des sphères.

Dans une représentation complexe, une onde sphérique divergente s’écrira comme suit :

(18)

Avec un avion, une onde harmonique sphérique est une onde standard qui a grande valeur pour l'optique. C’est pourquoi un accent particulier est mis sur la description de ces processus ondulatoires. Bien que ces ondes elles-mêmes soient en grande partie une abstraction mathématique, leur rôle dans la description des phénomènes optiques ne peut être surestimé. Dans de nombreux cas, un faisceau lumineux réel peut être décomposé en un spectre en ondes harmoniques planes. Le rayonnement provenant d’un milieu réel constitué d’atomes et de molécules excités peut souvent être représenté comme une superposition d’ondes sphériques.

Pour analyser la structure d’une onde électromagnétique plane, il convient d’écrire les équations de Maxwell sous forme symbolique en utilisant l’opérateur différentiel vectoriel « nabla ».

,

Où sont les vecteurs unitaires dirigés le long des axes X, Oui, Z Système de coordonnées cartésiennes.

En tenant compte de cela pour un champ vectoriel arbitraire

Les équations de Maxwell (1) – (4) peuvent s'écrire comme suit :

(19)

Nous chercherons une solution à ces équations sous forme d'ondes harmoniques planes

(23)

(24)

Où et sont des vecteurs constants qui ne dépendent pas du temps, mais dont les composantes peuvent être complexes. En remplaçant les expressions (23) et (24) dans l'équation (19) – (22) et en tenant compte du fait que

On obtient les relations suivantes :

(25)

Vladimir régional
industriel - commercial
lycée

abstrait

Ondes électromagnétiques

Complété:
élève 11 classe "B"
Lvov Mikhaïl
À carreaux:

Vladimir 2001

1. Introduction ……………………………………………………… 3

2. La notion de vague et ses caractéristiques…………………………… 4

3. Ondes électromagnétiques……………………………………… 5

4. Preuve expérimentale d'existence
ondes électromagnétiques………………………… 6

5. Densité de flux du rayonnement électromagnétique……………. 7

6. Invention de la radio…………………………………………….… 9

7. Propriétés des ondes électromagnétiques……………………………10

8. Modulation et détection…………………………………… 10

9. Types d'ondes radio et leur distribution………………………… 13

Introduction

Les processus ondulatoires sont extrêmement répandus dans la nature. Il existe deux types d’ondes dans la nature : mécaniques et électromagnétiques. Les ondes mécaniques se propagent dans la matière : gazeuse, liquide ou solide. Les ondes électromagnétiques ne nécessitent aucune substance pour se propager, y compris les ondes radio et la lumière. Un champ électromagnétique peut exister dans le vide, c’est-à-dire dans un espace qui ne contient pas d’atomes. Malgré la différence significative entre les ondes électromagnétiques et les ondes mécaniques, les ondes électromagnétiques se comportent de manière similaire aux ondes mécaniques lors de leur propagation. Mais comme les oscillations, tous les types d’ondes sont décrits quantitativement par des lois identiques ou presque identiques. Dans mon travail, j'essaierai de considérer les raisons de l'apparition des ondes électromagnétiques, leurs propriétés et leurs applications dans nos vies.

Le concept d'onde et ses caractéristiques

Vague sont appelées vibrations qui se propagent dans l’espace au fil du temps.

La caractéristique la plus importante d’une vague est sa vitesse. Les vagues, quelle que soit leur nature, ne se propagent pas instantanément dans l’espace. Leur vitesse est limitée.

Lorsqu’une onde mécanique se propage, le mouvement se transmet d’une partie du corps à une autre. Le transfert d’énergie est associé au transfert de mouvement. La propriété principale de toutes les ondes, quelle que soit leur nature, est de transférer de l’énergie sans transférer de matière. L'énergie provient d'une source qui excite les vibrations au début d'une corde, d'une ficelle, etc., et se propage avec la vague. L'énergie circule en continu à travers n'importe quelle section transversale. Cette énergie est constituée de l'énergie cinétique de mouvement des tronçons de la corde et de l'énergie potentielle de sa déformation élastique. La diminution progressive de l'amplitude des oscillations au fur et à mesure de la propagation de l'onde est associée à la conversion d'une partie de l'énergie mécanique en énergie interne.

Si vous faites vibrer harmonieusement l’extrémité d’un cordon en caoutchouc tendu avec une certaine fréquence v, alors ces vibrations commenceront à se propager le long du cordon. Les vibrations de n'importe quelle section du cordon se produisent avec la même fréquence et la même amplitude que les vibrations de l'extrémité du cordon. Mais seules ces oscillations sont déphasées les unes par rapport aux autres. De telles vagues sont appelées monochromatique .

Si le déphasage entre les oscillations de deux points de la corde est égal à 2n, alors ces points oscillent exactement de la même manière : après tout, cos(2lvt+2l) = =сos2п Vermont . De telles oscillations sont appelées en phase(se produisent dans les mêmes phases).

La distance entre les points les plus proches les uns des autres qui oscillent dans les mêmes phases est appelée longueur d'onde.

Relation entre la longueur d'onde λ, la fréquence v et la vitesse des vagues c. Durant une période d'oscillation, l'onde se propage sur une distance λ. Sa vitesse est donc déterminée par la formule

Depuis la période T et la fréquence v sont liées par la relation T = 1 / v

La vitesse de l’onde est égale au produit de la longueur d’onde et de la fréquence d’oscillation.

Ondes électromagnétiques

Passons maintenant à l’examen direct des ondes électromagnétiques.

Les lois fondamentales de la nature peuvent révéler bien plus que ce que contiennent les faits dont elles sont dérivées. L'une d'elles est la loi de l'électromagnétisme découverte par Maxwell.

Parmi les innombrables conséquences très intéressantes et importantes découlant des lois du champ électromagnétique de Maxwell, il y en a une qui mérite attention particulière. C'est la conclusion que l'interaction électromagnétique se propage à une vitesse finie.

Selon la théorie de l'action à courte portée, le mouvement d'une charge change champ électrique près de lui. Ce champ électrique alternatif génère un champ magnétique alternatif dans les régions voisines de l’espace. Un champ magnétique alternatif génère à son tour un champ électrique alternatif, etc.

Le mouvement de la charge provoque ainsi une « explosion » du champ électromagnétique qui, en se propageant, couvre des zones de plus en plus étendues de l’espace environnant.

Maxwell a prouvé mathématiquement que la vitesse de propagation de ce processus est égale à la vitesse de la lumière dans le vide.

Imaginez qu’une charge électrique ne se soit pas simplement déplacée d’un point à un autre, mais soit mise en oscillations rapides le long d’une certaine ligne droite. Ensuite, le champ électrique à proximité immédiate de la charge commencera à changer périodiquement. La période de ces changements sera évidemment égale à la période des oscillations de charge. Un champ électrique alternatif générera un champ magnétique changeant périodiquement, et ce dernier provoquera à son tour l'apparition d'un champ électrique alternatif à une plus grande distance de la charge, etc.

En chaque point de l’espace, les champs électriques et magnétiques changent périodiquement dans le temps. Plus un point est éloigné de la charge, plus les oscillations de champ l'atteignent tardivement. Par conséquent, à différentes distances de la charge, des oscillations se produisent avec différentes phases.

Les directions des vecteurs oscillants de l'intensité du champ électrique et de l'induction du champ magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation des ondes.

Une onde électromagnétique est transversale.

Les ondes électromagnétiques sont émises par des charges oscillantes. Il est important que la vitesse de déplacement de ces charges change avec le temps, c’est-à-dire qu’elles se déplacent avec accélération. La présence d'accélération est la condition principale de l'émission d'ondes électromagnétiques. Le champ électromagnétique est émis de manière perceptible non seulement lorsque la charge oscille, mais également lors de tout changement rapide de sa vitesse. Plus l'accélération avec laquelle la charge se déplace est grande, plus l'intensité de l'onde émise est grande.

Maxwell était profondément convaincu de la réalité des ondes électromagnétiques. Mais il n’a pas vécu assez longtemps pour voir leur découverte expérimentale. Seulement 10 ans après sa mort, des ondes électromagnétiques ont été obtenues expérimentalement par Hertz.

Preuve expérimentale d'existence

ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques ne sont pas visibles, contrairement aux ondes mécaniques, mais alors comment ont-elles été découvertes ? Pour répondre à cette question, considérons les expériences de Hertz.

Une onde électromagnétique se forme en raison de la connexion mutuelle de champs électriques et magnétiques alternatifs. La modification d'un champ en fait apparaître un autre. Comme on le sait, plus l’induction magnétique évolue rapidement dans le temps, plus l’intensité du champ électrique résultant est grande. Et à son tour, plus l’intensité du champ électrique change rapidement, plus l’induction magnétique est importante.

Pour générer des ondes électromagnétiques intenses, il est nécessaire de créer des oscillations électromagnétiques d’une fréquence suffisamment élevée.

Des oscillations à haute fréquence peuvent être obtenues à l'aide d'un circuit oscillant. La fréquence d'oscillation est de 1/ √ LC. De là, on peut voir que plus l'inductance et la capacité du circuit sont petites, plus elles seront grandes.

Pour produire des ondes électromagnétiques, G. Hertz a utilisé un appareil simple, aujourd'hui appelé vibrateur Hertz.

Cet appareil est un circuit oscillatoire ouvert.

Vous pouvez passer d'un circuit fermé à un circuit ouvert si vous écartez progressivement les plaques du condensateur, réduisant ainsi leur surface et en même temps le nombre de tours dans la bobine. Au final, ce ne sera qu'un fil droit. Il s'agit d'un circuit oscillatoire ouvert. La capacité et l'inductance du vibrateur Hertz sont faibles. La fréquence d’oscillation est donc très élevée.

Dans un circuit ouvert, les charges ne sont pas concentrées aux extrémités, mais réparties dans tout le conducteur. Actuel dans à l'heure actuelle le temps dans toutes les sections du conducteur est dirigé dans la même direction, mais l'intensité du courant n'est pas la même dans les différentes sections du conducteur. Aux extrémités, il est nul et au milieu, il atteint un maximum (dans les circuits à courant alternatif ordinaires, l'intensité du courant dans toutes les sections à un instant donné est la même.) Le champ électromagnétique couvre également tout l'espace à proximité du circuit. .

Hertz recevait des ondes électromagnétiques en excitant une série d'impulsions de courant alternatif rapide dans un vibrateur utilisant une source haute tension. Les oscillations de charges électriques dans un vibrateur créent une onde électromagnétique. Seules les oscillations du vibrateur sont effectuées non pas par une particule chargée, mais par un grand nombre d'électrons se déplaçant de concert. Dans une onde électromagnétique, les vecteurs E et B sont perpendiculaires l'un à l'autre. Le vecteur E se situe dans le plan passant par le vibrateur et le vecteur B est perpendiculaire à ce plan. Les ondes sont émises avec une intensité maximale dans la direction perpendiculaire à l'axe du vibrateur. Aucun rayonnement ne se produit le long de l'axe.

Les ondes électromagnétiques ont été enregistrées par Hertz à l'aide d'un vibrateur récepteur (résonateur), qui est le même dispositif que le vibrateur rayonnant. Sous l'influence d'un champ électrique alternatif d'une onde électromagnétique, des oscillations de courant sont excitées dans le vibrateur récepteur. Si la fréquence propre du vibrateur récepteur coïncide avec la fréquence de l’onde électromagnétique, une résonance est observée. Les oscillations dans le résonateur se produisent avec une grande amplitude lorsqu'il est situé parallèlement au vibrateur rayonnant. Hertz a découvert ces vibrations en observant des étincelles dans un très petit espace entre les conducteurs du vibrateur récepteur. Hertz a non seulement obtenu des ondes électromagnétiques, mais a également découvert qu’elles se comportent comme d’autres types d’ondes.

En calculant la fréquence propre des oscillations électromagnétiques du vibrateur. Hertz a pu déterminer la vitesse d'une onde électromagnétique en utilisant la formule c = λ v . Elle s’est avérée être approximativement égale à la vitesse de la lumière : c = 300 000 km/s. Les expériences de Hertz ont brillamment confirmé les prédictions de Maxwell.

Densité de flux de rayonnement électromagnétique

Passons maintenant à l'examen des propriétés et des caractéristiques des ondes électromagnétiques. L'une des caractéristiques des ondes électromagnétiques est la densité du rayonnement électromagnétique.

Considérons une surface de zone S à travers laquelle les ondes électromagnétiques transfèrent de l'énergie.

La densité de flux du rayonnement électromagnétique I est le rapport de l'énergie électromagnétique W traversant pendant un temps t une surface d'aire S perpendiculaire aux rayons au produit de l'aire S et du temps t.

La densité de flux de rayonnement en SI est exprimée en watts par mètre carré (W/m2). Cette quantité est parfois appelée intensité des vagues.

Après une série de transformations, on obtient que I = w c.

c'est-à-dire que la densité de flux de rayonnement est égale au produit de la densité d'énergie électromagnétique et de la vitesse de sa propagation.

Nous avons rencontré plus d'une fois l'idéalisation des sources réelles d'acceptation en physique : un point matériel, un gaz parfait, etc. Nous en rencontrerons ici une autre.

Une source de rayonnement est considérée comme ponctuelle si ses dimensions sont bien inférieures à la distance à laquelle son effet est évalué. De plus, on suppose qu’une telle source envoie des ondes électromagnétiques dans toutes les directions avec la même intensité.

Considérons la dépendance de la densité de flux de rayonnement sur la distance à la source.

L’énergie véhiculée par les ondes électromagnétiques se répartit sur une surface de plus en plus grande au fil du temps. Par conséquent, l’énergie transférée à travers une unité de surface par unité de temps, c’est-à-dire la densité de flux de rayonnement, diminue avec la distance à la source. Vous pouvez connaître la dépendance de la densité de flux de rayonnement sur la distance à la source en plaçant une source ponctuelle au centre d'une sphère de rayon R. . superficie de la sphère S= 4 n R^2. Si l'on suppose que la source émet de l'énergie W dans toutes les directions pendant le temps t

La densité du flux de rayonnement provenant d'une source ponctuelle diminue en proportion inverse du carré de la distance à la source.

Considérons maintenant la dépendance de la densité de flux de rayonnement sur la fréquence. Comme on le sait, l'émission d'ondes électromagnétiques se produit lors du mouvement accéléré de particules chargées. L'intensité du champ électrique et l'induction magnétique d'une onde électromagnétique sont proportionnelles à l'accélération UN particules rayonnantes. L'accélération lors des vibrations harmoniques est proportionnelle au carré de la fréquence. Par conséquent, l’intensité du champ électrique et l’induction magnétique sont proportionnelles au carré de la fréquence.

La densité énergétique du champ électrique est proportionnelle au carré de l’intensité du champ. L'énergie du champ magnétique est proportionnelle au carré de l'induction magnétique. La densité énergétique totale du champ électromagnétique est égale à la somme des densités énergétiques des champs électrique et magnétique. Par conséquent, la densité de flux de rayonnement est proportionnelle à : (E^2+B^2). De là, nous obtenons que I est proportionnel à w^4.

La densité du flux de rayonnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la fréquence.

Invention de la radio

Les expériences de Hertz ont intéressé les physiciens du monde entier. Les scientifiques ont commencé à chercher des moyens d'améliorer l'émetteur et le récepteur d'ondes électromagnétiques. En Russie, Alexander Stepanovich Popov, professeur aux cours d'officiers à Cronstadt, a été l'un des premiers à étudier les ondes électromagnétiques.

A. S. Popov a utilisé un cohéreur comme élément qui « détecte » directement les ondes électromagnétiques. Cet appareil est un tube de verre doté de deux électrodes. Le tube contient de la petite limaille de métal. Le fonctionnement de l'appareil est basé sur l'effet des décharges électriques sur les poudres métalliques. Dans des conditions normales, le cohéreur a une résistance élevée car les sciures ont un mauvais contact les unes avec les autres. L'onde électromagnétique arrivant crée un courant alternatif haute fréquence dans le cohéreur. Les plus petites étincelles jaillissent entre la sciure de bois et la frittent. En conséquence, la résistance du cohéreur chute fortement (dans les expériences de A.S. Popov de 100 000 à 1 000-500 Ohms, soit 100 à 200 fois). Vous pouvez remettre l'appareil en haute résistance en le secouant. Pour assurer la réception automatique nécessaire à la communication sans fil, A. S. Popov a utilisé une cloche pour secouer le cohéreur après avoir reçu le signal. Le circuit de la sonnerie électrique a été fermé à l'aide d'un relais sensible au moment de l'arrivée de l'onde électromagnétique. Dès la fin de la réception de l'onde, le fonctionnement de la cloche s'est immédiatement arrêté, puisque le marteau de cloche a frappé non seulement la coupelle de la cloche, mais aussi le cohéreur. Au dernier tremblement du cohéreur, l'appareil était prêt à recevoir une nouvelle vague.

Pour augmenter la sensibilité de l'appareil, A. S. Popov a mis à la terre l'une des bornes du cohéreur et a connecté l'autre à un morceau de fil très élevé, créant ainsi la première antenne de réception pour la communication sans fil. La mise à la terre transforme la surface conductrice de la terre en une partie d'un circuit oscillant ouvert, ce qui augmente la portée de réception.

Bien que les récepteurs radio modernes ressemblent très peu au récepteur de A. S. Popov, les principes de base de leur fonctionnement sont les mêmes que ceux de son appareil. Un récepteur moderne possède également une antenne dans laquelle l’onde entrante produit de très faibles oscillations électromagnétiques. Comme dans le récepteur d’A. S. Popov, l’énergie de ces oscillations n’est pas utilisée directement pour la réception. Les signaux faibles contrôlent uniquement les sources d’énergie qui alimentent les circuits suivants. De nos jours, ce contrôle est effectué à l'aide de dispositifs à semi-conducteurs.

Le 7 mai 1895, lors d'une réunion de la Société physico-chimique russe à Saint-Pétersbourg, A. S. Popov démontra le fonctionnement de son appareil, qui était en fait le premier récepteur radio au monde. Le 7 mai est devenu l'anniversaire de la radio.

Propriétés des ondes électromagnétiques

Les appareils modernes d'ingénierie radio permettent de réaliser des expériences très visuelles pour observer les propriétés des ondes électromagnétiques. Dans ce cas, il est préférable d’utiliser des ondes centimétriques. Ces ondes sont émises par un générateur spécial à ultra-haute fréquence (micro-ondes). Les oscillations électriques du générateur sont modulées par la fréquence sonore. Le signal reçu, après détection, est envoyé au haut-parleur.

Je ne décrirai pas la conduite de toutes les expériences, mais me concentrerai sur les principales.

1. Les diélectriques sont capables d’absorber les ondes électromagnétiques.

2. Certaines substances (par exemple le métal) sont capables d'absorber les ondes électromagnétiques.

3. Les ondes électromagnétiques sont capables de changer de direction à la limite diélectrique.

4. Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales. Cela signifie que les vecteurs E et B du champ électromagnétique de l'onde sont perpendiculaires à la direction de sa propagation.

Modulation et détection

Un certain temps s'est écoulé depuis l'invention de la radio par Popov, lorsque les gens voulaient transmettre de la parole et de la musique au lieu de signaux télégraphiques composés de signaux courts et longs. C'est ainsi qu'a été inventée la communication radiotéléphonique. Considérons les principes de base du fonctionnement d'une telle connexion.

Dans les communications radiotéléphoniques, les fluctuations de la pression atmosphérique dans une onde sonore sont converties par un microphone en vibrations électriques de même forme. Il semblerait que si ces vibrations étaient amplifiées et introduites dans une antenne, il serait alors possible de transmettre de la parole et de la musique à distance à l'aide d'ondes électromagnétiques. Cependant, en réalité, cette méthode de transmission n’est pas réalisable. Le fait est que les vibrations du son à une nouvelle fréquence sont des vibrations relativement lentes et que les ondes électromagnétiques de basses fréquences (sonores) ne sont presque pas émises du tout. Pour surmonter cet obstacle, la modulation a été développée et la détection sera discutée en détail.

Modulation. Pour effectuer une communication radiotéléphonique, il est nécessaire d'utiliser des oscillations haute fréquence émises de manière intensive par l'antenne. Des oscillations harmoniques non amorties de haute fréquence sont produites par un générateur, par exemple un générateur à transistor.

Pour transmettre le son, ces vibrations à haute fréquence sont modifiées, ou comme on dit, modulées, à l'aide de vibrations électriques (sonores) à basse fréquence. Il est possible, par exemple, de modifier l'amplitude des oscillations haute fréquence en fonction de la fréquence sonore. Cette méthode est appelée modulation d'amplitude.

un graphique d'oscillations d'une haute fréquence, appelée fréquence porteuse ;

b) un graphique des oscillations de fréquence audio, c'est-à-dire des oscillations modulantes ;

c) graphique des oscillations modulées en amplitude.

Sans modulation, nous pouvons au mieux contrôler si la station fonctionne ou est silencieuse. Sans modulation, il n’y a pas de transmission télégraphique, téléphonique ou télévisuelle.

La modulation d'amplitude des oscillations haute fréquence est obtenue par une action spéciale sur le générateur d'oscillations continues. En particulier, la modulation peut être réalisée en modifiant la tension générée par la source sur le circuit oscillant. Plus la tension sur le circuit du générateur est élevée, plus l'énergie circule de la source vers le circuit par période. Cela conduit à une augmentation de l'amplitude des oscillations dans le circuit. À mesure que la tension diminue, l’énergie entrant dans le circuit diminue également. Par conséquent, l’amplitude des oscillations dans le circuit diminue également.

Dans le dispositif le plus simple pour mettre en œuvre une modulation d'amplitude, une source supplémentaire de tension alternative basse fréquence est connectée en série avec une source de tension constante. Cette source peut être, par exemple, l'enroulement secondaire d'un transformateur si un courant audiofréquence circule dans son enroulement primaire. En conséquence, l'amplitude des oscillations dans le circuit oscillatoire du générateur changera dans le temps en fonction des changements de tension aux bornes du transistor. Cela signifie que les oscillations haute fréquence sont modulées en amplitude par un signal basse fréquence.

En plus de la modulation d'amplitude, dans certains cas, une modulation de fréquence est utilisée - modifiant la fréquence d'oscillation en fonction du signal de commande. Son avantage est sa plus grande résistance aux interférences.

Détection. Dans le récepteur, les oscillations basse fréquence sont séparées des oscillations haute fréquence modulées. Ce processus de conversion du signal est appelé détection.

Le signal obtenu suite à la détection correspond au signal sonore qui a agi sur le microphone émetteur. Une fois amplifiées, les vibrations basse fréquence peuvent être transformées en son.

Le signal haute fréquence modulé reçu par le récepteur, même après amplification, n'est pas capable de provoquer directement des vibrations dans la membrane d'un téléphone ou dans un pavillon de haut-parleur avec une fréquence audio. Cela ne peut provoquer que des vibrations à haute fréquence qui ne sont pas perçues par nos oreilles. Par conséquent, dans le récepteur, il est d'abord nécessaire d'isoler un signal audiofréquence des oscillations modulées haute fréquence.

La détection est effectuée par un dispositif contenant un élément à conductivité unidirectionnelle - un détecteur. Un tel élément peut être un tube électronique (diode à vide) ou une diode semi-conductrice.

Considérons le fonctionnement d'un détecteur à semi-conducteur. Que cet appareil soit connecté en série avec une source d'oscillations modulées et une charge. Le courant dans le circuit circulera principalement dans un seul sens.

Un courant pulsé circulera dans le circuit. Ce courant d'ondulation est lissé à l'aide d'un filtre. Le filtre le plus simple est un condensateur connecté à la charge.

Le filtre fonctionne comme ceci. Aux moments où la diode fait passer le courant, une partie de celui-ci traverse la charge et l'autre partie se branche dans le condensateur, le chargeant. La diffusion du courant réduit le courant d'ondulation traversant la charge. Mais dans l'intervalle entre les impulsions, lorsque la diode est verrouillée, le condensateur est partiellement déchargé à travers la charge.

Par conséquent, dans l’intervalle entre les impulsions, le courant traverse la charge dans la même direction. Chaque nouvelle impulsion recharge le condensateur. En conséquence, un courant audiofréquence traverse la charge, dont la forme d'onde reproduit presque exactement la forme du signal basse fréquence de la station émettrice.

Types d'ondes radio et leur distribution

Nous avons déjà examiné les propriétés fondamentales des ondes électromagnétiques, leur application en radio et la formation des ondes radio. Faisons maintenant connaissance avec les types d'ondes radio et leur propagation.

La forme et les propriétés physiques de la surface terrestre, ainsi que l'état de l'atmosphère, influencent grandement la propagation des ondes radio.

Les couches de gaz ionisé dans les parties supérieures de l'atmosphère, à une altitude de 100 à 300 km au-dessus de la surface de la Terre, ont une influence particulièrement significative sur la propagation des ondes radio. Ces couches sont appelées l'ionosphère. L'ionisation de l'air dans les couches supérieures de l'atmosphère est provoquée par le rayonnement électromagnétique du Soleil et le flux de particules chargées émis par celui-ci.

Conducteur courant électrique, l'ionosphère réfléchit les ondes radio d'une longueur d'onde > 10 m, comme une plaque métallique ordinaire. Mais la capacité de l’ionosphère à réfléchir et à absorber les ondes radio varie considérablement selon l’heure de la journée et les saisons.

Une communication radio stable entre des points éloignés de la surface terrestre au-delà de la ligne de vue est possible grâce à la réflexion des ondes de l'ionosphère et à la capacité des ondes radio à se courber autour de la surface terrestre convexe. Cette courbure est d’autant plus prononcée que la longueur d’onde est longue. Par conséquent, la communication radio sur de longues distances en raison des ondes courbant autour de la Terre n'est possible qu'avec des longueurs d'onde dépassant largement 100 m ( vagues moyennes et longues)

Ondes courtes(plage de longueurs d'onde de 10 à 100 m) se propagent sur de longues distances uniquement en raison de multiples réflexions de l'ionosphère et de la surface de la Terre. C'est à l'aide d'ondes courtes que la communication radio peut s'effectuer à n'importe quelle distance entre les stations radio de la Terre.

Ondes radio ultracourtes (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораб­лями.

Examinons maintenant une autre application des ondes radio. C'est un radar.

La détection et la localisation précise d'objets à l'aide d'ondes radio sont appelées radar. Installation de radars - radar(ou radar) - se compose de parties émettrices et réceptrices. Le radar utilise des oscillations électriques à ultra haute fréquence. Un puissant générateur de micro-ondes est connecté à une antenne qui émet une onde hautement directionnelle. La directionnalité nette du rayonnement est obtenue grâce à l’ajout d’ondes. L'antenne est conçue de telle sorte que les ondes envoyées par chacun des vibrateurs, une fois ajoutées, se renforcent mutuellement uniquement dans une direction donnée. Dans d'autres directions, lorsque des vagues s'ajoutent, leur annulation mutuelle totale ou partielle se produit.

L'onde réfléchie est captée par la même antenne émettrice ou une autre antenne réceptrice également hautement directionnelle.

Pour déterminer la distance à la cible, un mode de rayonnement pulsé est utilisé. L'émetteur émet des ondes par courtes rafales. La durée de chaque impulsion est de quelques millionièmes de seconde et l'intervalle entre les impulsions est environ 1 000 fois plus long. Pendant les pauses, les ondes réfléchies sont reçues.

La distance est déterminée en mesurant le temps de trajet total des ondes radio jusqu'à la cible et retour. Puisque la vitesse des ondes radio c = 3*10 8 m/s dans l'atmosphère est presque constante, alors R = ct/2.

Un tube cathodique est utilisé pour enregistrer les signaux envoyés et réfléchis.

Les ondes radio servent non seulement à transmettre du son, mais aussi à transmettre des images (télévision).

Le principe de transmission d'images à distance est le suivant. A la station émettrice, l'image est convertie en une séquence de signaux électriques. Ces signaux sont ensuite modulés par des oscillations générées par un générateur haute fréquence. Une onde électromagnétique modulée transporte des informations sur de longues distances. La conversion inverse est effectuée au niveau du récepteur. Des oscillations modulées à haute fréquence sont détectées et le signal résultant est converti en une image visible. Pour transmettre le mouvement, ils utilisent le principe du cinéma : des images légèrement différentes d'un objet en mouvement (images) sont transmises des dizaines de fois par seconde (dans notre téléviseur 50 fois).

L'image du cadre est convertie à l'aide d'un tube électronique à vide émetteur - un iconoscope - en une série de signaux électriques. En plus de l'iconoscope, il existe d'autres appareils de transmission. À l’intérieur de l’iconoscope se trouve un écran mosaïque sur lequel une image de l’objet est projetée à l’aide d’un système optique. Chaque cellule mosaïque est chargée et sa charge dépend de l'intensité de la lumière incidente sur la cellule. Cette charge change lorsqu'un faisceau d'électrons généré par un canon à électrons frappe la cellule. Le faisceau d'électrons frappe séquentiellement tous les éléments d'abord d'une ligne de la mosaïque, puis d'une autre ligne, etc. (625 lignes au total).

Le courant dans la résistance dépend de l'ampleur de la variation de la charge de la cellule. R. . Par conséquent, la tension aux bornes de la résistance change proportionnellement au changement d’éclairage le long des lignes du cadre.

Le même signal est reçu dans le récepteur de télévision après détection. Ce signal vidéo Il est converti en une image visible sur l'écran du tube électronique à vide récepteur - kinescope.

Les signaux radio de télévision ne peuvent être transmis que dans la gamme d’ondes ultracourtes (mètres).

Références.

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2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. Cours de physique. Électricité. M. 1970

3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Fondements de la physique. tome 2. M. 1981

"Les feuilles collantes qui fleurissent au printemps me sont chères, le ciel bleu m'est cher", a déclaré Ivan Karamazov, l'un des héros nés du génie de Dostoïevski.

La lumière du soleil a toujours été et reste pour une personne un symbole de jeunesse éternelle, de tout ce qu'il y a de meilleur dans la vie. On peut ressentir la joie excitée d'un homme vivant sous le Soleil, et dans le premier poème d'un garçon de quatre ans :

Qu'il y ait toujours du soleil, Qu'il y ait toujours du ciel, Qu'il y ait toujours maman, Qu'il y ait toujours moi !

et dans les quatrains du merveilleux poète Dmitry Kedrin :

Vous dites que notre feu s'est éteint.

Tu dis que toi et moi avons vieilli, Regardez comme le ciel bleu brille !

Mais il est bien plus vieux que nous...

Le royaume des ténèbres, le royaume des ténèbres, n’est pas seulement l’absence de lumière, mais le symbole de tout ce qui est lourd et oppressant pour l’âme d’une personne.

Le culte du soleil est le culte le plus ancien et le plus beau de l’humanité. C'est le fabuleux dieu Kon-Tiki des Péruviens, c'est la divinité des anciens Égyptiens - Ra. Dès l’aube de leur existence, les hommes ont pu comprendre que le Soleil est la vie. Nous savons depuis longtemps que le Soleil n'est pas une divinité, mais une boule brûlante, mais l'humanité aura toujours une attitude respectueuse à son égard.

Même un physicien, habitué à s'occuper de l'enregistrement précis des phénomènes, a le sentiment de commettre un blasphème lorsqu'il dit que la lumière du soleil est constituée d'ondes électromagnétiques d'une certaine longueur et rien de plus. Mais c’est exactement le cas, et dans notre livre, vous et moi devrions essayer de parler uniquement de cela.

En tant que lumière, nous percevons des ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde comprise entre 0,00004 centimètres et 0,000072 centimètres. Les autres vagues ne provoquent pas d'impressions visuelles.

La longueur d'onde de la lumière est très courte. Imaginez une vague moyenne qui augmente tellement qu'elle occupe tout l'océan Atlantique, de New York en Amérique à Lisbonne en Europe. La longueur d’onde de la lumière au même grossissement ne serait que légèrement supérieure à la largeur de cette page.

L'œil et les ondes électromagnétiques

Mais nous savons très bien qu’il existe des ondes électromagnétiques d’une longueur d’onde complètement différente. Il y a des vagues d'un kilomètre de long ; Il en existe aussi des plus courtes que la lumière visible : ultraviolets, rayons X, etc. Pourquoi la nature a-t-elle rendu nos yeux (ainsi que ceux des animaux) sensibles à une certaine gamme de longueurs d'onde relativement étroite ?

Bien entendu, on peut immédiatement dire que toutes les longueurs d’onde ne sont pas adaptées. Les rayons gamma et les rayons X ne sont émis de manière perceptible que dans des circonstances particulières et sont quasiment inexistants autour de nous. Oui, c’est « Dieu merci ». Ils (en particulier les rayons gamma) provoquent le mal des rayons, de sorte que l’humanité ne pourrait pas profiter longtemps de l’image du monde sous forme de rayons gamma.

Les longues ondes radio seraient extrêmement gênantes. Ils se courbent librement autour d’objets de la taille d’un mètre, tout comme les vagues de la mer se courbent autour de pierres côtières saillantes, et nous ne pouvons pas examiner des objets dont nous avons absolument besoin de voir clairement. La courbure des vagues autour des obstacles (diffraction) conduirait au fait que nous verrions le monde « comme un poisson dans la boue ».

Mais il existe également des rayons infrarouges (chaleur) qui peuvent chauffer les corps, mais qui nous sont invisibles. Il semblerait qu’ils pourraient réussir à remplacer les longueurs d’onde perçues par l’œil. Ou enfin, l’œil pourrait s’adapter à la lumière ultraviolette.

Eh bien, le choix d'une étroite bande de longueurs d'onde, que nous appelons lumière visible, précisément dans cette partie de l'échelle, est complètement aléatoire ? Après tout, le Soleil émet à la fois de la lumière visible et des rayons ultraviolets et infrarouges.

Non et non ! C'est loin d'être le cas ici. Tout d’abord, l’émission maximale d’ondes électromagnétiques par le Soleil se situe précisément dans la région jaune-vert du spectre visible. Mais ce n’est pas l’essentiel ! Le rayonnement sera également assez intense dans les régions voisines du spectre.

"Fenêtres" dans l'ambiance

Nous vivons au fond de l'océan d'air. La terre est entourée d'une atmosphère. Nous le considérons comme transparent ou presque transparent. Et il en est ainsi en réalité, mais seulement pour une partie étroite des longueurs d'onde (une partie étroite du spectre, comme disent les physiciens en pareil cas), que notre œil perçoit.

Il s’agit de la première « fenêtre » optique dans l’atmosphère. L'oxygène absorbe fortement le rayonnement ultraviolet. La vapeur d'eau bloque le rayonnement infrarouge. De longues ondes radio sont renvoyées et réfléchies par l'ionosphère.

Il n’existe qu’une seule autre « fenêtre radio », transparente aux ondes allant de 0,25 centimètre à environ 30 mètres. Mais ces ondes, comme déjà mentionné, sont mal adaptées à l'œil et leur intensité dans le spectre solaire est très faible. Il a fallu un grand pas en avant dans le développement de la technologie radio, provoqué par l’amélioration des radars pendant la Seconde Guerre mondiale, pour apprendre à capter ces ondes de manière fiable.

Ainsi, au cours du processus de lutte pour l'existence, les organismes vivants ont acquis un organe qui réagissait précisément aux radiations les plus intenses et les plus adaptées à leur objectif.

Le fait que le rayonnement maximal du Soleil tombe exactement au milieu de la « fenêtre optique » doit probablement être considéré comme un don supplémentaire de la nature. (La nature en général s'est révélée extrêmement généreuse envers notre planète. On peut dire qu'elle a fait tout, ou presque tout ce qui était en son pouvoir, pour que nous puissions naître et vivre heureux. Elle, bien sûr, ne pouvait pas tout « prévoir » les conséquences de sa générosité, mais elle nous a donné raison et nous a ainsi rendus responsables de notre sort futur.) Il serait probablement possible de se passer de la coïncidence frappante du rayonnement maximal du Soleil avec la transparence maximale de l'atmosphère. Les rayons du Soleil, tôt ou tard, réveilleraient encore la vie sur Terre et pourraient la soutenir dans le futur.

Si vous lisez ce livre non pas comme un manuel d'auto-éducation, qu'il serait dommage de jeter, puisque du temps et de l'argent ont déjà été dépensés, mais « avec émotion, bon sens, arrangement », alors vous devez faire attention à la contradiction apparemment évidente. Le rayonnement maximal du Soleil tombe sur la partie jaune-vert du spectre, et nous le voyons en jaune.

L'atmosphère est en cause. Il transmet mieux la partie des ondes longues du spectre (jaune) et moins bien la partie des ondes courtes. Le feu vert semble donc fortement affaibli.

Les courtes longueurs d'onde sont généralement diffusées de manière particulièrement intense par l'atmosphère dans toutes les directions. C'est pourquoi le ciel bleu brille au-dessus de nous, et non le jaune ou le rouge. S’il n’y avait aucune atmosphère, il n’y aurait pas de ciel familier au-dessus de nous. Au lieu de cela, il y a un abîme noir avec un soleil éblouissant. Jusqu’à présent, seuls les astronautes l’ont vu.

Un tel soleil sans vêtements de protection est destructeur. En haut des montagnes, quand il y a encore quelque chose à respirer, le soleil devient insupportablement brûlant* : on ne peut pas rester sans vêtements, et dans la neige - sans lunettes noires. Vous pouvez vous brûler la peau et la rétine.

* (Le rayonnement ultraviolet n’est pas suffisamment absorbé par les couches supérieures de l’atmosphère.)

Les ondes lumineuses tombant sur la Terre sont un don inestimable de la nature. Tout d’abord, ils apportent de la chaleur, et avec elle la vie. Sans eux, le froid cosmique aurait enchaîné la Terre. Si la quantité de toute l’énergie consommée par l’humanité (carburant, chutes d’eau et vent) était multipliée par 30, cela ne représenterait alors qu’un millième de l’énergie que le Soleil nous fournit gratuitement et sans tracas.

De plus, les principaux types de combustibles – le charbon et le pétrole – ne sont rien d’autre que des « rayons de soleil en conserve ». Ce sont les restes de la végétation qui couvrait autrefois notre planète de manière luxuriante, et peut-être, en partie, le monde animal.

L'eau des turbines des centrales électriques était autrefois élevée sous forme de vapeur par l'énergie des rayons du soleil. Ce sont les rayons du soleil qui déplacent les masses d'air dans notre atmosphère.

Mais ce n'est pas tout. Les ondes lumineuses font bien plus que chauffer. Ils réveillent une activité chimique dans la substance que le simple chauffage ne peut pas provoquer. La décoloration et le bronzage des tissus sont le résultat de réactions chimiques.

Les réactions les plus importantes ont lieu dans les « feuilles printanières collantes », ainsi que dans les aiguilles de pin, les feuilles d’herbe, les arbres et dans de nombreux micro-organismes. Dans une feuille verte sous le Soleil, se produisent les processus nécessaires à toute vie sur Terre. Ils nous donnent de la nourriture, ils nous donnent aussi de l’oxygène pour respirer.

Notre corps, comme les organismes d'autres animaux supérieurs, n'est pas capable de combiner des éléments chimiques purs en chaînes complexes d'atomes - des molécules de substances organiques. Notre souffle empoisonne continuellement l’atmosphère. En consommant de l'oxygène vital, nous expirons du dioxyde de carbone (CO 2), fixant l'oxygène et rendant l'air impropre à la respiration. Il doit être nettoyé en permanence. Les plantes terrestres et les micro-organismes des océans le font pour nous.

Les feuilles absorbent le dioxyde de carbone de l’air et décomposent ses molécules en leurs composants : carbone et oxygène. Le carbone est utilisé pour construire les tissus végétaux vivants et l’oxygène pur est renvoyé dans l’air. En attachant à la chaîne carbonée des atomes d'autres éléments extraits de la terre par leurs racines, les plantes construisent des molécules de protéines, de graisses et de glucides : de la nourriture pour nous et pour les animaux.

Tout cela se produit grâce à l'énergie des rayons du soleil. De plus, ce qui est particulièrement important ici n’est pas seulement l’énergie elle-même, mais aussi la forme sous laquelle elle se présente. La photosynthèse (comme les scientifiques appellent ce processus) ne peut se produire que sous l'influence d'ondes électromagnétiques dans une certaine plage du spectre.

Nous ne tenterons pas de parler du mécanisme de la photosynthèse. Cela n’a pas encore été entièrement clarifié. Lorsque cela se produira, une nouvelle ère s’ouvrira probablement pour l’humanité. Les protéines et autres matières organiques peuvent être cultivées directement dans des cornues sous le ciel bleu.

Légère pression

Les réactions chimiques les plus fines sont générées par la lumière. En même temps, il s’avère capable d’actions mécaniques simples. Cela exerce une pression sur les corps environnants. Il est vrai que là aussi la lumière fait preuve d'une certaine délicatesse. La légère pression est très faible. Il n’y a qu’environ un demi-milligramme de force par mètre carré de surface terrestre par une journée claire et ensoleillée.

Une force assez importante agit sur l'ensemble du globe, environ 60 000 tonnes, mais elle est négligeable par rapport à la force gravitationnelle (1014 fois moindre).

Par conséquent, l'énorme talent de P. N. Lebedev était nécessaire pour détecter une légère pression. Au début de notre siècle, il mesurait la pression non seulement sur les solides, mais aussi sur les gaz.

Bien que la pression lumineuse soit très faible, son effet peut parfois être observé directement à l'œil nu. Pour ce faire, vous devez voir une comète.

On a remarqué depuis longtemps que la queue d'une comète, constituée de minuscules particules, lorsqu'elle se déplace autour du Soleil, est toujours dirigée dans la direction opposée au Soleil.

Les particules de la queue de la comète sont si petites que les forces de pression lumineuse s'avèrent comparables voire supérieures aux forces de leur attraction vers le Soleil. C'est pourquoi les queues des comètes sont éloignées du Soleil.

Il n'est pas difficile de comprendre pourquoi cela se produit. La force de gravité est proportionnelle à la masse et donc au cube des dimensions linéaires du corps. La pression solaire est proportionnelle à la taille de la surface et donc au carré des dimensions linéaires. À mesure que les particules diminuent, les forces gravitationnelles diminuent en conséquence plus rapide, que la pression, et à des tailles de particules suffisamment petites, les forces de pression légères deviennent plus petites.

Un incident intéressant s'est produit avec le satellite américain Echo. Une fois le satellite entré en orbite, une grande coque en polyéthylène était remplie de gaz comprimé. Une boule lumineuse d'un diamètre d'environ 30 mètres s'est formée. De manière inattendue, il s'est avéré qu'au cours d'un tour, la pression des rayons du soleil le déplace de 5 mètres de son orbite. En conséquence, au lieu de 20 ans comme prévu, le satellite est resté en orbite moins d’un an.

À l’intérieur des étoiles, à des températures de plusieurs millions de degrés, la pression des ondes électromagnétiques devrait atteindre des valeurs énormes. Il faut supposer que, avec les forces gravitationnelles et la pression ordinaire, elle joue un rôle important dans les processus intrastellaires.

Le mécanisme d’apparition d’une légère pression est relativement simple et nous pouvons en dire quelques mots. Le champ électrique d’une onde électromagnétique incidente sur une substance fait vibrer les électrons. Ils commencent à osciller transversalement à la direction de propagation des ondes. Mais cela en soi ne crée pas de pression.

Le champ magnétique de l’onde commence à agir sur les électrons mis en mouvement. C'est précisément cela qui pousse les électrons le long du faisceau lumineux, ce qui conduit finalement à l'apparition d'une pression sur le morceau de matière dans son ensemble.

Messagers de mondes lointains

Nous savons quelle est la taille des étendues illimitées de l'Univers, dans lesquelles notre Galaxie est un amas ordinaire d'étoiles et le Soleil est une étoile typique appartenant au nombre de naines jaunes. Ce n'est qu'à l'intérieur du système solaire que la position privilégiée du globe se révèle. La Terre est la planète la plus propice à la vie parmi toutes les planètes du système solaire.

Nous connaissons non seulement l’emplacement d’innombrables mondes stellaires, mais aussi leur composition. Ils sont construits à partir des mêmes atomes que notre Terre. Le monde est un.

La lumière est une messagère de mondes lointains. Il est la source de la vie, il est aussi la source de notre connaissance de l’Univers. «Comme le monde est grand et beau», nous disent les ondes électromagnétiques arrivant sur Terre. Seules les ondes électromagnétiques « parlent » – les champs gravitationnels ne fournissent aucune information équivalente sur l’Univers.

Les étoiles et les amas d'étoiles peuvent être observés à l'œil nu ou à l'aide d'un télescope. Mais comment savoir de quoi ils sont faits ? Ici, un appareil spectral vient en aide à l’œil, « triant » les ondes lumineuses par longueur et les envoyant dans différentes directions.

Les solides ou liquides chauffés émettent un spectre continu, c'est-à-dire toutes les longueurs d'onde possibles, allant de l'infrarouge long à l'ultraviolet court.

Les atomes isolés ou presque isolés des vapeurs chaudes d'une substance sont une tout autre affaire. Leur spectre est une palissade de lignes colorées de luminosité variable, séparées par de larges rayures sombres. Chaque trait coloré correspond à une onde électromagnétique d'une certaine longueur*.

* (Notons d'ailleurs qu'en dehors de nous il n'y a pas de couleurs dans la nature, il n'y a que des vagues de différentes longueurs.)

Le plus important : les atomes de tout élément chimique donnent leur propre spectre, contrairement aux spectres des atomes d'autres éléments. Comme les empreintes digitales humaines, les spectres linéaires des atomes ont une personnalité unique. Le caractère unique des motifs sur la peau du doigt aide à retrouver le criminel. De la même manière, l'individualité du spectre donne aux physiciens la possibilité de déterminer la composition chimique d'un corps sans le toucher, et pas seulement lorsqu'il se trouve à proximité, mais aussi lorsqu'il est éloigné sur des distances que même la lumière met des millions d'années à parcourir. voyage. Il suffit que le corps brille de mille feux*.

* (La composition chimique du Soleil et des étoiles est déterminée, à proprement parler, non pas à partir des spectres d'émission, puisqu'il s'agit d'un spectre continu de la photosphère dense, mais à partir des spectres d'absorption par l'atmosphère solaire. Les vapeurs d'une substance absorbent le plus intensément précisément les longueurs d'onde qu'elles émettent à chaud. Des lignes d'absorption sombres sur fond d'un spectre continu permettent de déterminer la composition des corps célestes.)

Les éléments présents sur Terre ont également été « trouvés » dans le Soleil et les étoiles. L'hélium a été découvert encore plus tôt sur le Soleil, puis seulement sur Terre.

Si les atomes émetteurs se trouvent dans un champ magnétique, leur spectre change considérablement. Les rayures colorées individuelles sont divisées en plusieurs lignes. C’est ce qui permet de détecter le champ magnétique des étoiles et d’estimer sa magnitude.

Les étoiles sont si éloignées que nous ne pouvons pas remarquer directement si elles bougent ou non. Mais les ondes lumineuses qui en émanent nous apportent cette information. La dépendance de la longueur d'onde sur la vitesse de la source (l'effet Doppler, déjà évoqué plus haut) permet de juger non seulement de la vitesse des étoiles, mais aussi de leur rotation.

Les informations de base sur l'univers nous parviennent à travers une « fenêtre optique » dans l'atmosphère. Avec le développement de la radioastronomie, de plus en plus de nouvelles informations sur la Galaxie arrivent par la « fenêtre radio ».

D'où viennent les ondes électromagnétiques ?

Nous savons, ou pensons savoir, comment les ondes radio sont créées dans l’univers. L'une des sources de rayonnement a été évoquée plus haut en passant : le rayonnement thermique résultant de la décélération de particules chargées en collision. Les émissions radio non thermiques sont plus intéressantes.

La lumière visible, les rayons infrarouges et ultraviolets sont presque exclusivement d’origine thermique. La température élevée du Soleil et des autres étoiles est la principale raison de la naissance des ondes électromagnétiques. Les étoiles émettent également des ondes radio et des rayons X, mais leur intensité est très faible.

Lorsque des particules chargées de rayons cosmiques entrent en collision avec des atomes de l'atmosphère terrestre, un rayonnement à ondes courtes est généré : rayons gamma et rayons X. Certes, étant nés dans les couches supérieures de l'atmosphère, ils sont presque complètement absorbés, traversant son épaisseur, et n'atteignent pas la surface de la Terre.

La désintégration radioactive des noyaux atomiques est la principale source de rayons gamma à la surface de la Terre. Ici, l'énergie est puisée dans le « réservoir d'énergie » le plus riche de la nature : le noyau atomique.

Tous les êtres vivants émettent des ondes électromagnétiques. Tout d’abord, comme tout corps chauffé, les rayons infrarouges. Certains insectes (comme les lucioles) et les poissons des grands fonds émettent de la lumière visible. Ici, il naît grâce à des réactions chimiques dans les organes lumineux (lumière froide).

Enfin, lors des réactions chimiques associées à la division cellulaire des tissus végétaux et animaux, de la lumière ultraviolette est émise. Ce sont les rayons dits mitogénétiques, découverts par le scientifique soviétique Gurvich. À une certaine époque, il semblait qu'ils étaient d'une grande importance dans la vie des cellules, mais des expériences ultérieures plus précises, pour autant que l'on puisse en juger, ont suscité ici un certain nombre de doutes.

Olfaction et ondes électromagnétiques

On ne peut pas dire que seule la lumière visible affecte les sens. Si vous placez votre main près d’une bouilloire ou d’une cuisinière chaude, vous ressentirez la chaleur à distance. Notre corps est capable de percevoir des flux de rayons infrarouges assez intenses. Certes, les éléments sensibles situés dans la peau réagissent directement non pas aux rayonnements, mais à l'échauffement qu'ils provoquent. Il se peut que les rayons infrarouges ne produisent aucun autre effet sur le corps, mais ce n’est peut-être pas le cas. La réponse finale sera obtenue après avoir résolu l'énigme de l'odorat.

Comment les humains, et plus encore les animaux et les insectes, sentent-ils la présence de certaines substances à une distance considérable ? Une réponse simple s'impose : en pénétrant dans les organes olfactifs, les molécules de la substance provoquent leur irritation spécifique de ces organes, que l'on perçoit comme une certaine odeur.

Mais comment expliquer ce fait : les abeilles se ruent vers le miel même lorsqu'il est hermétiquement fermé dans un bocal en verre ? Ou un autre fait : certains insectes sentent à une concentration si faible de la substance qu'il y a en moyenne moins d'une molécule par individu.

À cet égard, une hypothèse a été avancée et est en cours de développement selon laquelle l'odorat est provoqué par des ondes électromagnétiques plus de 10 fois plus longues que la longueur d'onde de la lumière visible. Ces ondes sont émises par des vibrations basse fréquence de molécules et affectent les organes olfactifs. Il est curieux que cette théorie rapproche nos yeux et notre nez d’une manière inattendue. Les deux sont différents types de récepteurs et d’analyseurs d’ondes électromagnétiques. Il est encore assez difficile de dire si tout cela est réellement vrai.

Un « nuage » important

Le lecteur, qui tout au long de ce long chapitre s'est sans doute lassé de se laisser surprendre par l'infinie variété des manifestations de l'électromagnétisme, pénétrant même dans un domaine aussi délicat que la parfumerie, pourrait arriver à la conclusion qu'il n'y a pas de théorie plus favorable au monde que ce. Certes, il y avait une certaine confusion lorsqu’on parlait de la structure de l’atome. Sinon, l’électrodynamique semble parfaite et invulnérable.

Ce sentiment de bien-être immense est apparu chez les physiciens à la fin du siècle dernier, alors que la structure de l'atome n'était pas encore connue. Ce sentiment était si complet que le célèbre physicien anglais Thomson, au tournant de deux siècles, semblait avoir des raisons de parler d'un horizon scientifique sans nuages, sur lequel son regard ne voyait que deux « petits nuages ​​». L'exposé portait sur les expériences de Michelson sur la mesure de la vitesse de la lumière et le problème du rayonnement thermique. Les résultats des expériences de Michelson constituent la base de la théorie de la relativité. Parlons du rayonnement thermique en détail.

Les physiciens n'ont pas été surpris que tous les corps chauffés émettent des ondes électromagnétiques. Il suffisait d’apprendre à décrire quantitativement ce phénomène, en s’appuyant sur un système harmonieux d’équations maxwelliennes et des lois mécaniques de Newton. En résolvant ce problème, Rayleigh et Genet ont obtenu un résultat étonnant et paradoxal. De la théorie découlait de manière totalement immuable, par exemple, que même un corps humain avec une température de 36,6 ° C devrait briller de manière éblouissante, perdant inévitablement de l'énergie et refroidissant rapidement jusqu'à presque le zéro absolu.

Aucune expérience subtile n’est nécessaire ici pour vérifier le conflit évident entre la théorie et la réalité. Et en même temps, répétons-le, les calculs de Rayleigh et Jeans ne faisaient aucun doute. Ils étaient une conséquence directe des énoncés les plus généraux de la théorie. Aucune supercherie ne pourrait sauver la situation.

Le fait que les lois de l'électromagnétisme, testées à plusieurs reprises, se soient mises en grève dès qu'elles ont été tentées d'être appliquées au problème du rayonnement des ondes électromagnétiques courtes, a tellement stupéfié les physiciens qu'ils ont commencé à parler d'une « catastrophe ultraviolette » *. C’est ce que Thomson avait en tête lorsqu’il parlait d’un des « nuages ​​». Pourquoi seulement « cloud » ? Oui, car il semblait aux physiciens de l'époque que le problème du rayonnement thermique était une petite question privée, sans importance dans le contexte de réalisations gigantesques en général.

* (La « catastrophe » était appelée ultraviolette, car les troubles étaient associés à un rayonnement de très courte longueur d'onde.)

Cependant, ce « nuage » était destiné à croître et, se transformant en un nuage géant, à obscurcir tout l'horizon scientifique, se déversant avec une averse sans précédent, qui a érodé tous les fondements de la physique classique. Mais en même temps, il a également donné vie à une nouvelle compréhension physique du monde, que nous désignons maintenant brièvement en deux mots : « théorie quantique ».

Avant de parler de quelque chose de nouveau qui a considérablement révolutionné nos idées sur les forces électromagnétiques et les forces en général, tournons notre regard en arrière et essayons, du haut où nous sommes montés, d'imaginer clairement pourquoi les forces électromagnétiques jouent un rôle si important dans la nature. .

Spectre des ondes électromagnétiques.

Les ondes électromagnétiques sont classées selon leur longueur d'onde lambda ou la fréquence d'onde f associée. Notons également que ces paramètres caractérisent non seulement l’onde, mais aussi les propriétés quantiques du champ électromagnétique. Ainsi, dans le premier cas, l'onde électromagnétique est décrite par les lois classiques étudiées dans ce volume, et dans le second cas par les lois quantiques étudiées dans le volume 5 de ce manuel.

Considérons le concept de spectre des ondes électromagnétiques. Spectre des ondes électromagnétiques est la bande de fréquences des ondes électromagnétiques qui existent dans la nature.

Le spectre du rayonnement électromagnétique par ordre de fréquence croissante est :

1) Ondes radio ;

2) Rayonnement infrarouge ;

3) Rayonnement lumineux ;

4) Rayonnement X ;

5) Rayonnement gamma.

Différentes parties du spectre électromagnétique diffèrent par la manière dont elles émettent et reçoivent des ondes appartenant à l’une ou l’autre partie du spectre. Pour cette raison, il n’existe pas de frontières nettes entre les différentes parties du spectre électromagnétique.

Les ondes radio sont étudiées par électrodynamique classique. La lumière infrarouge et le rayonnement ultraviolet sont étudiés à la fois par l’optique classique et par la physique quantique. Les rayons X et les rayonnements gamma sont étudiés en physique quantique et nucléaire.

Examinons plus en détail le spectre des ondes électromagnétiques.

Ondes radio.

Ondes radio sont des ondes électromagnétiques dont la longueur dépasse 0,1 mm (fréquence inférieure à 3 10 12 Hz = 3000 GHz).

Les ondes radio sont divisées en :

1. Ondes ultra-longues d'une longueur d'onde supérieure à 10 km (fréquence inférieure à 3 10 4 Hz = 30 kHz) ;

2. Ondes longues d'une longueur allant de 10 km à 1 km (fréquence comprise entre 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz = 300 kHz) ;

3. Ondes moyennes d'une longueur comprise entre 1 km et 100 m (fréquence comprise entre 3 10 5 Hz et 310 6 Hz = 3 MHz) ;

4. Ondes courtes dans la gamme de longueurs d'onde de 100 m à 10 m (fréquence dans la gamme 310,6 Hz-310,7 Hz=30 MHz) ;

5. Ondes ultracourtes d'une longueur d'onde inférieure à 10 m (fréquence supérieure à 310,7 Hz = 30 MHz).

Les ondes ultracourtes, à leur tour, sont divisées en :

a) ondes métriques ;

b) ondes centimétriques ;

c) ondes millimétriques ;

d) submillimétrique ou micrométrique.

Les ondes d'une longueur d'onde inférieure à 1 m (fréquence inférieure à 300 MHz) sont appelées micro-ondes ou ondes ultra-hautes fréquences (ondes micro-ondes).

En raison des grandes longueurs d'onde du domaine radio par rapport à la taille des atomes, la propagation des ondes radio peut être envisagée sans prendre en compte la structure atomique du milieu, c'est-à-dire phénoménologiquement, comme il est d'usage lors de la construction de la théorie de Maxwell. Les propriétés quantiques des ondes radio n'apparaissent que pour les ondes les plus courtes adjacentes à la partie infrarouge du spectre et lors de la propagation de ce qu'on appelle. impulsions ultracourtes d'une durée de l'ordre de 10 -12 sec - 10 -15 sec, comparables au temps des oscillations électroniques à l'intérieur des atomes et des molécules.

Rayonnement infrarouge et lumineux.

Infrarouge, lumière, y compris ultra-violet, le rayonnement s'élève à région optique du spectre des ondes électromagnétiques au sens large du terme. La proximité des régions spectrales des ondes répertoriées a déterminé la similitude des méthodes et des instruments utilisés pour leur recherche et leur application pratique. Historiquement, des lentilles, des réseaux de diffraction, des prismes, des diaphragmes et des substances optiquement actives incluses dans divers dispositifs optiques (interféromètres, polariseurs, modulateurs, etc.) étaient utilisés à ces fins.

D'autre part, le rayonnement de la région optique du spectre présente des schémas généraux de transmission de divers supports, qui peuvent être obtenus à l'aide de l'optique géométrique, largement utilisée pour les calculs et la construction de dispositifs optiques et de canaux de propagation de signaux optiques.

Le spectre optique occupe la gamme des longueurs d'onde électromagnétiques comprises entre 210 -6 m = 2 µm et 10 -8 m = 10 nm (fréquence de 1,510 14 Hz à 310 16 Hz). Limite supérieure de la plage optique déterminé par la limite des ondes longues de la plage infrarouge, et limite inférieure de l'ultraviolet à ondes courtes(Fig. 2.14).

Riz. 1.14.

Bande passante optique par fréquence fait environ 18 octaves 1 , dont la plage optique représente environ une octave(); pour l'ultraviolet - 5 octaves (), pour le rayonnement infrarouge - 11 octaves (

Dans la partie optique du spectre, les phénomènes provoqués par la structure atomique de la matière deviennent significatifs. Pour cette raison, outre les propriétés ondulatoires du rayonnement optique, des propriétés quantiques apparaissent.

Rayons X et gamma.

Dans le domaine des rayons X et des rayonnements gamma, les propriétés quantiques du rayonnement sont mises en avant.

Rayonnement X se produit lorsque des particules chargées rapidement (électrons, protons, etc.) sont décélérées, ainsi qu'à la suite de processus se produisant à l'intérieur des coques électroniques des atomes.

Rayonnement gamma est une conséquence de phénomènes se produisant à l’intérieur des noyaux atomiques, ainsi que de réactions nucléaires. La limite entre les rayons X et les rayons gamma est déterminée conventionnellement par l'ampleur du quantum d'énergie. 2 , correspondant à une fréquence de rayonnement donnée.

Le rayonnement X est constitué d'ondes électromagnétiques d'une longueur de 50 nm à 10 -3 nm, ce qui correspond à une énergie quantique de 20 eV à 1 MeV.

Le rayonnement gamma est constitué d'ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde inférieure à 10 -2 nm, ce qui correspond à une énergie quantique supérieure à 0,1 MeV.

Nature électromagnétique de la lumière.

Lumière représente la partie visible du spectre des ondes électromagnétiques dont les longueurs d'onde occupent l'intervalle de 0,4 µm à 0,76 µm. Chaque composante spectrale du rayonnement optique peut se voir attribuer une couleur spécifique. Coloration des composantes spectrales du rayonnement optique déterminés par leur longueur d’onde. La couleur du rayonnement change à mesure que sa longueur d'onde diminue comme suit : rouge, orange, jaune, vert, cyan, indigo, violet.

La lumière rouge, correspondant à la longueur d'onde la plus longue, définit l'extrémité rouge du spectre. Lumière violette - correspond à la bordure violette.

Lumière naturelle n'est pas coloré et représente une superposition d'ondes électromagnétiques de tout le spectre visible. La lumière naturelle résulte de l’émission d’ondes électromagnétiques par des atomes excités. La nature de l'excitation peut être différente : thermique, chimique, électromagnétique, etc. À la suite de l'excitation, les atomes émettent de manière aléatoire des ondes électromagnétiques pendant environ 10 à 8 secondes. Le spectre énergétique d'excitation des atomes étant assez large, des ondes électromagnétiques sont émises à partir de l'ensemble du spectre visible, dont la phase initiale, la direction et la polarisation sont aléatoires. C’est pour cette raison que la lumière naturelle n’est pas polarisée. Cela signifie que la « densité » des composantes spectrales des ondes électromagnétiques de la lumière naturelle ayant des polarisations mutuellement perpendiculaires est la même.

Les ondes électromagnétiques harmoniques dans la gamme lumineuse sont appelées monochromatique. Pour une onde lumineuse monochromatique, l’une des principales caractéristiques est l’intensité. Intensité des ondes lumineuses représente la valeur moyenne de la densité de flux énergétique (1.25) porté par la vague :

où est le vecteur de Poynting.

Calcul de l'intensité d'une onde lumineuse, plane, monochromatique avec une amplitude de champ électrique dans un milieu homogène à perméabilité diélectrique et magnétique à l'aide de la formule (1.35) en tenant compte (1.30) Et (1.32) donne :

où est l'indice de réfraction du milieu ; - impédance d'onde du vide.

Traditionnellement, les phénomènes optiques sont considérés à l'aide de rayons. La description des phénomènes optiques utilisant des rayons s'appelle géométrique-optique. Les règles de recherche des trajectoires des rayons, développées en optique géométrique, sont largement utilisées dans la pratique pour l'analyse des phénomènes optiques et dans la construction de divers instruments optiques.

Définissons un rayon basé sur la représentation électromagnétique des ondes lumineuses. Tout d’abord, les rayons sont des lignes le long desquelles se propagent les ondes électromagnétiques. Pour cette raison faisceau est une ligne en chaque point de laquelle le vecteur Poynting moyen d'une onde électromagnétique est dirigé tangentiellement à cette ligne.

Dans les milieux isotropes homogènes, la direction du vecteur de Poynting moyen coïncide avec la normale à la surface de l'onde (surface équiphase), c'est-à-dire le long du vecteur d'onde.

Ainsi, dans les milieux isotropes homogènes, les rayons sont perpendiculaires au front d'onde correspondant de l'onde électromagnétique.

Par exemple, considérons les rayons émis par une source lumineuse ponctuelle monochromatique. Du point de vue de l'optique géométrique, de nombreux rayons émanent du point source dans la direction radiale. À partir de la position de l’essence électromagnétique de la lumière, une onde électromagnétique sphérique se propage à partir du point source. A une distance suffisamment grande de la source, la courbure du front d'onde peut être négligée, considérant que l'onde localement sphérique est plate. En divisant la surface du front d'onde en un grand nombre de sections localement planes, il est possible de tracer une normale passant par le centre de chaque section, le long de laquelle se propage une onde plane, c'est-à-dire dans le rayon d'interprétation géométrique-optique. Ainsi, les deux approches donnent la même description de l’exemple considéré.

La tâche principale de l'optique géométrique est de trouver la direction du faisceau (trajectoire). L'équation de trajectoire est trouvée après avoir résolu le problème variationnel consistant à trouver le minimum de ce qu'on appelle. actions sur les trajectoires souhaitées. Sans entrer dans les détails de la formulation stricte et de la solution de ce problème, nous pouvons supposer que les rayons sont les trajectoires ayant la longueur optique totale la plus courte. Cette affirmation est une conséquence du principe de Fermat.

L'approche variationnelle pour déterminer la trajectoire des rayons peut également être appliquée à des milieux inhomogènes, c'est-à-dire tels milieux dans lesquels l'indice de réfraction est fonction des coordonnées des points du milieu. Si une fonction décrit la forme de la surface d'un front d'onde dans un milieu inhomogène, alors elle peut être trouvée sur la base de la solution de l'équation aux dérivées partielles connue sous le nom de équation eikonale, et en mécanique analytique comme l'équation Hamilton - Jacobi:

Ainsi, la base mathématique de l'approximation géométrique-optique de la théorie électromagnétique consiste en diverses méthodes pour déterminer les champs d'ondes électromagnétiques sur les rayons, basées sur l'équation eikonale ou d'une autre manière. L'approximation géométrique-optique est largement utilisée dans la pratique en radioélectronique pour calculer ce qu'on appelle. systèmes quasi-optiques.

En conclusion, notons que la capacité de décrire la lumière simultanément à la fois à partir des positions des ondes en résolvant les équations de Maxwell et en utilisant des rayons dont la direction est déterminée à partir des équations de Hamilton-Jacobi décrivant le mouvement des particules, est l'une des manifestations du dualisme de la lumière, qui, comme on le sait, a conduit à la formulation des principes fondamentaux de la mécanique quantique.

Échelle des ondes électromagnétiques

Nom Longueur,m Fréquence,Hz Très long 3*10 2 - 3*10 4 Longues (ondes radio) 3*10 4 - 3*10 5 Médium (ondes radio) 3*10 5 - 3*10 6 Court (ondes radio) 3*10 6 - 3*10 7 Ultra court 3*10 7 - 3*10 9 Télévision (micro-ondes) 3*10 9 - 3*10 10 Radar (micro-ondes) 3*10 10 - 3*10 11 Rayonnement infrarouge 3*10 11 - 3*10 14 Lumière visible 3*10 14 - 3*10 15 Rayonnement ultraviolet 3*10 15 - 3*10 17 Rayonnement X (doux) 3*10 17 - 3*10 20 Rayonnement gamma (dur) 3*10 20 - 3*10 22 Rayons cosmiques

Presque tout ce que nous savons sur l'espace (et le micromonde) nous est connu grâce au rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire aux oscillations de champs électriques et magnétiques qui se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière. En fait, la lumière est un type particulier d’ondes électromagnétiques perçues par l’œil humain. Une description précise des ondes électromagnétiques et de leur propagation est donnée par les équations de Maxwell. Cependant, ce processus peut être expliqué qualitativement sans aucune mathématique. Prenons un électron au repos – une charge électrique négative presque ponctuelle. Il crée un champ électrostatique autour de lui, qui affecte les autres charges. Les charges négatives sont soumises à une force répulsive, et les charges positives sont soumises à une force attractive, et toutes ces forces sont dirigées strictement le long des rayons provenant de notre électron. Avec la distance, l'influence de l'électron sur les autres charges s'affaiblit, mais ne tombe jamais à zéro. En d’autres termes, dans tout l’espace infini qui l’entoure, l’électron crée un champ de force radial (cela n’est vrai que pour un électron qui est éternellement au repos en un point). C’est le moment de se rappeler la loi de l’induction électromagnétique : un champ électrique changeant génère un champ magnétique, et un champ magnétique changeant en génère un électrique. Ces deux domaines semblent liés l’un à l’autre. Dès que nous créons un changement ondulatoire dans le champ électrique, une onde magnétique s’y ajoute immédiatement. Il est impossible de séparer cette paire d'ondes - il s'agit d'un seul phénomène électromagnétique. Vous pouvez affiner davantage la description, en vous débarrassant progressivement des inexactitudes et des approximations grossières. Si nous terminons cette question, nous obtiendrons simplement les équations de Maxwell déjà mentionnées. Mais arrêtons-nous à mi-chemin, car pour nous, seule une compréhension qualitative de la question est importante pour l'instant, et tous les points principaux ressortent déjà clairement de notre modèle.

Le principal est l’indépendance de la propagation d’une onde électromagnétique par rapport à sa source.

En fait, les ondes de champs électriques et magnétiques, bien qu'elles soient dues à des oscillations de charge, loin de là, se propagent de manière totalement indépendante. Quoi qu'il arrive à la charge source, le signal qui la concerne ne rattrapera pas l'onde électromagnétique sortante - après tout, elle ne se propagera pas plus vite que la lumière. Cela permet de considérer les ondes électromagnétiques comme des phénomènes physiques indépendants ainsi que les charges qui les génèrent.

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Plan

1. Introduction

2. Le concept d'onde et ses caractéristiques

3. Ondes électromagnétiques

4. Preuve expérimentale de l'existence des ondes électromagnétiques

5. Densité de flux de rayonnement électromagnétique

6. Invention de la radio

7. Propriétés des ondes électromagnétiques

Introduction

Les processus ondulatoires sont extrêmement répandus dans la nature. Il existe deux types d’ondes dans la nature : mécaniques et électromagnétiques. Les ondes mécaniques se propagent dans la matière : gazeuse, liquide ou solide. Les ondes électromagnétiques ne nécessitent aucune substance pour se propager, y compris les ondes radio et la lumière. Un champ électromagnétique peut exister dans le vide, c’est-à-dire dans un espace qui ne contient pas d’atomes. Malgré la différence significative entre les ondes électromagnétiques et les ondes mécaniques, les ondes électromagnétiques se comportent de manière similaire aux ondes mécaniques lors de leur propagation. Mais comme les oscillations, tous les types d’ondes sont décrits quantitativement par des lois identiques ou presque identiques. Dans mon travail, j'essaierai de considérer les raisons de l'apparition des ondes électromagnétiques, leurs propriétés et leurs applications dans nos vies.

8. Modulation et détection

Vague 9. Types d'ondes radio et leur distribution

La caractéristique la plus importante d’une vague est sa vitesse. Les vagues, quelle que soit leur nature, ne se propagent pas instantanément dans l’espace. Leur vitesse est limitée.

Lorsqu’une onde mécanique se propage, le mouvement se transmet d’une partie du corps à une autre. Le transfert d’énergie est associé au transfert de mouvement. La propriété principale de toutes les ondes, quelle que soit leur nature, est de transférer de l’énergie sans transférer de matière. L'énergie provient d'une source qui excite les vibrations au début d'une corde, d'une ficelle, etc., et se propage avec la vague. L'énergie circule en continu à travers n'importe quelle section transversale. Cette énergie est constituée de l'énergie cinétique de mouvement des tronçons de la corde et de l'énergie potentielle de sa déformation élastique. La diminution progressive de l'amplitude des oscillations au fur et à mesure de la propagation de l'onde est associée à la conversion d'une partie de l'énergie mécanique en énergie interne.

Si vous faites vibrer harmonieusement l’extrémité d’un cordon en caoutchouc tendu avec une certaine fréquence v, alors ces vibrations commenceront à se propager le long du cordon. Les vibrations de n'importe quelle section du cordon se produisent avec la même fréquence et la même amplitude que les vibrations de l'extrémité du cordon. Mais seules ces oscillations sont déphasées les unes par rapport aux autres. De telles vagues sont appelées monochromatique.

Le concept d'onde et ses caractéristiques en phase sont appelées vibrations qui se propagent dans l’espace au fil du temps.

La distance entre les points les plus proches les uns des autres qui oscillent dans les mêmes phases est appelée longueur d'onde.

Relation entre la longueur d'onde λ, la fréquence v et la vitesse des vagues c. Durant une période d'oscillation, l'onde se propage sur une distance λ. Sa vitesse est donc déterminée par la formule

Si le déphasage entre les oscillations de deux points de la corde est égal à 2n, alors ces points oscillent exactement de la même manière : après tout, cos(2лvt+2л) = =сos2пvt. De telles oscillations sont appelées

La vitesse de l’onde est égale au produit de la longueur d’onde et de la fréquence d’oscillation.

Ondes électromagnétiques

Passons maintenant à l’examen direct des ondes électromagnétiques.

Les lois fondamentales de la nature peuvent révéler bien plus que ce que contiennent les faits dont elles sont dérivées. L'une d'elles est la loi de l'électromagnétisme découverte par Maxwell.

(se produisent dans les mêmes phases).

Selon la théorie de l’action à courte portée, le déplacement d’une charge modifie le champ électrique à proximité. Ce champ électrique alternatif génère un champ magnétique alternatif dans les régions voisines de l’espace. Un champ magnétique alternatif génère à son tour un champ électrique alternatif, etc.

Le mouvement de la charge provoque ainsi une « explosion » du champ électromagnétique qui, en se propageant, couvre des zones de plus en plus étendues de l’espace environnant.

Maxwell a prouvé mathématiquement que la vitesse de propagation de ce processus est égale à la vitesse de la lumière dans le vide.

Imaginez qu’une charge électrique ne se soit pas simplement déplacée d’un point à un autre, mais soit mise en oscillations rapides le long d’une certaine ligne droite. Ensuite, le champ électrique à proximité immédiate de la charge commencera à changer périodiquement. La période de ces changements sera évidemment égale à la période des oscillations de charge. Un champ électrique alternatif générera un champ magnétique changeant périodiquement, et ce dernier provoquera à son tour l'apparition d'un champ électrique alternatif à une plus grande distance de la charge, etc.

En chaque point de l’espace, les champs électriques et magnétiques changent périodiquement dans le temps. Plus un point est éloigné de la charge, plus les oscillations de champ l'atteignent tardivement. Par conséquent, à différentes distances de la charge, des oscillations se produisent avec différentes phases.

Les directions des vecteurs oscillants de l'intensité du champ électrique et de l'induction du champ magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation des ondes.

Une onde électromagnétique est transversale.

Les ondes électromagnétiques sont émises par des charges oscillantes. Il est important que la vitesse de déplacement de ces charges change avec le temps, c’est-à-dire qu’elles se déplacent avec accélération. La présence d'accélération est la condition principale de l'émission d'ondes électromagnétiques. Le champ électromagnétique est émis de manière perceptible non seulement lorsque la charge oscille, mais également lors de tout changement rapide de sa vitesse. Plus l'accélération avec laquelle la charge se déplace est grande, plus l'intensité de l'onde émise est grande.

Maxwell était profondément convaincu de la réalité des ondes électromagnétiques. Mais il n’a pas vécu assez longtemps pour voir leur découverte expérimentale. Seulement 10 ans après sa mort, des ondes électromagnétiques ont été obtenues expérimentalement par Hertz.