Ηλεκτρομαγνητικά κύματα

Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα

 

Ένα ακόμα γέννημα της ανθρώπινης σκέψης

Η έννοια ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ γεννήθηκε μέσα στις λύσεις των εξισώσεων του Maxwell. Πρωτοεμφανίζεται δηλαδή και αυτό ως δημιούργημα της ανθρώπινης σκέψης, σαν μία προφητεία που περίμενε την επαλήθευσή της .  Και επαληθεύτηκε 17 χρόνια μετά.

Δημιουργείται από . .

Σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell το ηλεκτρομαγνητικό κύμα δημιουργείται από κάθε παλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο αλλά και γενικότερα από κάθε φορτίο με επιτάχυνση.

Ας αξιοποιήσουμε τη φαντασία μας και ας φέρουμε στο μυαλό μας ένα θετικό σημειακό φορτίο να «κατοικεί» σε ένα σημείο του Σύμπαντος και να είναι ακίνητο ως προς κάποιο σύστημα αναφοράς. Το ηλεκτρικό αυτό φορτίο αποτελεί πηγή ηλεκτρικού πεδίου με δυναμικές γραμμές απολύτως ίσιες, ευθείες που ξεκινούν από αυτό και εξαπλώνονται στο άπειρο. Σε κάθε γεωμετρικό σημείο Α του χώρου η ένταση του ηλεκτρικού αυτού είναι αναλλοίωτη μέσα στο χρόνο και η τιμή της καθορίζεται από το φορτίο πηγή και από τη θέση του γεωμετρικού σημείου Α. 

Σε κάποια στιγμή και για κάποια συγκεκριμένη αιτία το μέχρι τότε ακίνητο ηλεκτρικό φορτίο αρχίζει να κινείται μπρος πίσω, μπρος πίσω . . . να ταλαντεύεται δηλαδή με κάποια συχνότητα. Τι θα συμβεί με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου; Θα παραμείνουν ίσιες και αναλλοίωτες; Και αν υποθέσουμε ότι βρίσκεσαι τρεις χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά από το παλλόμενο φορτίο, πότε θα «πάρεις το μήνυμα» ότι το σημειακό φορτίο ταλαντεύεται; Η Οι εξισώσεις του Maxwell μας λένε ότι οι δυναμικές γραμμές δεν θα είναι πλέον ευθείες και αναλλοίωτες αλλά θα κινούνται σα φίδια,  ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα ορισμένο σημείο θα αυξομειώνεται περιοδικά, ενώ θα έχει ταυτόχρονα δημιουργηθεί και μαγνητικό πεδίο παλλόμενο. Όσο για το ποτέ θα φθάσει σε σένα το μήνυμα μας λένε ότι αυτό θα γίνει σε ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Το μήνυμα θα ταξιδέψει με την ταχύτητα του φωτός

Περιγράφεται

η Άλγεβρα. Σε ένα απλό μοντέλο εξάπλωσης κατά μία διεύθυνση,  οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου υπακούουν στην Ε = Ε_maxημω (t – x/c) και οι τιμές της έντασης του μαγνητικού πεδίου  Β = Β_maxημω(t – x/c).

Η συχνότητα του κύματος θα είναι ίση με τη συχνότητα της πηγής. Όσο για την ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό κύμα, η λύση των εξισώσεων του Maxwell μας

αποκαλύπτει ότι θα είναι ίση με το οποιοδήποτε πηλίκο του   Ε_max και του Β_max       Ε_max =cΒ_max 

Η τιμή όμως η οποία προκύπτει είναι ένα αποτέλεσμα εντυπωσιακό. Η ταχύτητα θα είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός.

η Γεωμετρία. Αν χρησιμοποιήσουμε τη γεωμετρική έννοια ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ, μπορούμε να πούμε ότι , κατά τη διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, εκτός του ότι το διάνυσμα Ε είναι πάντα κάθετο στο διάνυσμα Β, θα είναι και τα δύο κάθετα στην κυματική ακτίνα.

Σε κάθε δηλαδή σημείο του χώρου έχουμε μία γεωμετρική αναπαράσταση με ένα τρισορθογώνιο. Το διάνυσμα Ε , το διάνυσμα Β και η κυματική ακτίνα είναι ανά δύο μεταξύ

τους κάθετα.  

                                

    

Ορισμένα applets με ξεχωριστό ενδιαφέρον

http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/emWave/emWave.html  http://webphysics.davidson.edu/physlet_resources/bu_semester2/c22_EM.html

http://www.school-for-champions.com/science/experiments/simwaveform.htm

Ίσως όμως το καλύτερο είναι αυτό των Γάλλων του Πανεπιστημίου Lemans

http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electri/oem1.html

καθώς και το επόμενο με το παλλόμενο φορτίο

http://www.colorado.edu/physics/2000/waves_particles/wavpart4.html

Πηγή: Κασσέτας