Pentru a vedea cum simetria introdusă de Maxwell explică existența undelor electrice și magnetice combinate care se propagă prin spațiu, imaginați-vă un câmp magnetic variabil în timp B⃗0(t) produs de curentul alternativ de înaltă frecvență văzut în Figura 16.4. Reprezentăm B⃗0(t) în diagramă printr-una dintre liniile sale de câmp. Din legea lui Faraday, câmpul magnetic în schimbare printr-o suprafață induce un câmp electric variabil în timp E⃗0(t) la limita acelei suprafețe. Sursa de curent de deplasare pentru câmpul electric, ca și sursa legii lui Faraday pentru câmpul magnetic, produce numai bucle închise de linii de câmp, din cauza simetriei matematice implicate în ecuațiile pentru câmpurile electrice induse și magnetice induse. Este prezentată o reprezentare în linie de câmp a lui E⃗0(t). La rândul său, câmpul electric în schimbare E⃗0(t) creează un câmp magnetic B⃗1(t) conform legii lui Ampère modificate. Acest câmp în schimbare induce E⃗1(t), care induce B⃗2(t), și așa mai departe. Avem astfel un proces care se auto-continuă care duce la crearea câmpurilor electrice și magnetice care variază în timp în regiuni din ce în ce mai îndepărtate de O. Acest proces poate fi vizualizat ca propagarea unei unde electromagnetice prin spațiu.
Figura 16.4 Cum se propagă câmpurile E⃗ și B⃗ în schimbare prin spațiu.
În secțiunea următoare, arătăm în termeni matematici mai preciși cum ecuațiile lui Maxwell conduc la predicția undelor electromagnetice care pot călători prin spațiu fără un mediu material, implicând o viteză a undelor electromagnetice egală cu viteza luminii.
Înainte de lucrările lui Maxwell, experimentele indicaseră deja că lumina este un fenomen ondulatoriu, deși natura undelor era încă necunoscută. În 1801, Thomas Young (1773–1829) a arătat că atunci când un fascicul de lumină era separat de două fante înguste și apoi recombinat, pe un ecran se forma un model format din franjuri luminoase și întunecate. Young a explicat acest comportament presupunând că lumina era compusă din unde care se însumează constructiv în unele puncte și distructiv în altele (vezi Interferența). Ulterior, Jean Foucault (1819–1868), cu măsurători ale vitezei luminii în diverse medii, și Augustin Fresnel (1788–1827), cu experimente detaliate care implică interferența și difracția luminii, au furnizat dovezi suplimentare concludente că lumina este o undă. Deci, se știa că lumina este o undă, iar Maxwell prezisese existența undelor electromagnetice care se deplasează cu viteza luminii. Concluzia părea de clară: lumina trebuie să fie o formă de radiație electromagnetică. Dar teoria lui Maxwell a arătat că și alte lungimi de undă și frecvențe decât cele ale luminii sunt posibile pentru undele electromagnetice. El a arătat că radiația electromagnetică cu aceleași proprietăți fundamentale ca și lumina vizibilă ar trebui să existe la orice frecvență. A rămas ca alții să testeze și să confirme această predicție.
| EXERCIȚIUL 16.1
Când t.e.m. peste un condensator este pornită și condensatorul este lăsat să se încarce, când are câmpul magnetic indus de curentul de deplasare cea mai mare magnitudine? |
Observațiile lui Hertz
Fizicianul german Heinrich Hertz (1857–1894) a fost primul care a generat și detectat anumite tipuri de unde electromagnetice în laborator. Începând din 1887, a efectuat o serie de experimente care nu numai că au confirmat existența undelor electromagnetice, dar au verificat și că acestea se deplasează cu viteza luminii.
Hertz a folosit un circuit RLC (rezistor-inductor-condensator) cu curent alternativ care rezonează la o frecvență cunoscută f0 = 1/2π√(LC) și l-a conectat la o buclă de fir, așa cum se arată în Figura 16.5. Tensiunile înalte induse în decalajul din buclă au produs scântei care erau dovezi vizibile ale curentului din circuit și au ajutat la generarea undelor electromagnetice.
În laborator, Hertz a plasat o altă buclă atașată la un alt circuit RLC, care ar putea fi reglată (precum cadranul unui radio) la aceeași frecvență de rezonanță ca prima și ar putea fi astfel făcută să primească unde electromagnetice. Această buclă a avut, de asemenea, un decalaj peste care au fost generate scântei, oferind dovezi solide că au fost primite unde electromagnetice.
Figura 16.5 Aparatul folosit de Hertz în 1887 pentru a genera și detecta unde electromagnetice.
Hertz a studiat, de asemenea, modelele de reflexie, refracție și interferență ale undelor electromagnetice pe care le-a generat, confirmând caracterul undelor acestora. El a putut determina lungimile de undă din tiparele de interferență și, cunoscând frecvențele acestora, a putut calcula viteza de propagare folosind ecuația v = fλ, unde v este viteza unei unde, f este frecvența acesteia și λ este lungimea de undă. Hertz a reușit astfel să demonstreze că undele electromagnetice călătoresc cu viteza luminii. Unitatea SI pentru frecvență, hertz (1 Hz = 1 ciclu/s), este numită în onoarea lui.
| EXERCIȚIUL 16.2
Ar putea un câmp pur electric să se propage ca o undă printr-un vid fără un câmp magnetic? Justificați-vă răspunsul. |
Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2024 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2
Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1
O explorare cuprinzătoare a fizicii, combinând perspective teoretice cu fenomene din lumea reală.
Electricitate și magnetism – Electromagnetism fenomenologic
O călătorie captivantă prin lumea fenomenelor electromagnetice, de la descoperirile fundamentale până la aplicațiile moderne.
Lasă un răspuns