विद्युत चुम्बकीय तरंगें, विद्युत चुम्बकीय विकिरण, विद्युत चुम्बकीय तरंगों का प्रसार

1864 में, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने अंतरिक्ष में विद्युत चुम्बकीय तरंगों की संभावना की भविष्यवाणी की थी। उन्होंने यह दावा बिजली और चुंबकत्व के संबंध में उस समय ज्ञात सभी प्रायोगिक आंकड़ों के विश्लेषण से प्राप्त निष्कर्षों के आधार पर किया था।

मैक्सवेल ने गणितीय रूप से इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियमों को जोड़ा, विद्युत और चुंबकीय घटनाओं को जोड़ते हुए, और इस तरह इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र, जो समय के साथ बदलते हैं, एक दूसरे को उत्पन्न करते हैं।

प्रारंभ में, उन्होंने इस तथ्य पर जोर दिया कि चुंबकीय और विद्युत घटना के बीच संबंध सममित नहीं है और "एडी इलेक्ट्रिक फील्ड" शब्द पेश किया, फैराडे द्वारा खोजे गए विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटना की अपनी नई व्याख्या की पेशकश की: "चुंबकीय में हर परिवर्तन क्षेत्र बल की बंद रेखाओं के साथ एक भंवर विद्युत क्षेत्र के आसपास के स्थान में उपस्थिति की ओर जाता है"।

मैक्सवेल के अनुसार, विपरीत कथन कि "बदलता हुआ विद्युत क्षेत्र आसपास के अंतरिक्ष में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है" भी सत्य है, लेकिन यह कथन शुरू में केवल एक परिकल्पना बनकर रह गया।

मैक्सवेल ने गणितीय समीकरणों की एक प्रणाली लिखी जो लगातार चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों के पारस्परिक परिवर्तन के नियमों का वर्णन करती है, ये समीकरण बाद में इलेक्ट्रोडायनामिक्स के बुनियादी समीकरण बन गए और महान वैज्ञानिक के सम्मान में "मैक्सवेल के समीकरण" कहलाने लगे। वे नीचे। मैक्सवेल की परिकल्पना, लिखित समीकरणों पर आधारित, कई निष्कर्ष हैं जो विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं, जिन्हें नीचे प्रस्तुत किया गया है।

विद्युत चुम्बकीय तरंगें मौजूद हैं

अनुप्रस्थ विद्युत चुम्बकीय तरंगें अंतरिक्ष में मौजूद हो सकती हैं जो समय के साथ फैलती हैं विद्युत चुम्बकीय... तथ्य यह है कि तरंगें अनुप्रस्थ होती हैं, इस तथ्य से पता चलता है कि चुंबकीय प्रेरण बी और विद्युत क्षेत्र की ताकत ई के वैक्टर परस्पर लंबवत हैं और दोनों विद्युत चुम्बकीय तरंग के प्रसार की दिशा में लंबवत विमान में स्थित हैं।

विद्युत चुम्बकीय तरंगें एक परिमित गति से फैलती हैं

किसी दिए गए पदार्थ में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार की गति परिमित होती है और उस पदार्थ के विद्युत और चुंबकीय गुणों से निर्धारित होती है जिसके माध्यम से तरंग फैलती है। इस मामले में साइनसॉइडल तरंग λ की लंबाई एक निश्चित सटीक अनुपात λ = υ / f के साथ गति υ से संबंधित है और क्षेत्र दोलनों की आवृत्ति f पर निर्भर करती है। निर्वात में विद्युत चुम्बकीय तरंग की गति c मूल भौतिक स्थिरांकों में से एक है - निर्वात में प्रकाश की गति।

क्योंकि मैक्सवेल ने कहा कि एक विद्युत चुम्बकीय तरंग के प्रसार की गति परिमित थी, इसने उनकी परिकल्पना और उस समय स्वीकृत लंबी दूरी पर कार्रवाई के सिद्धांत के बीच एक विरोधाभास पैदा किया, जिसके अनुसार तरंगों के प्रसार की गति अनंत मानी जाती थी। इसलिए, मैक्सवेल के सिद्धांत को शॉर्ट-रेंज एक्शन का सिद्धांत कहा जाता है।

एक विद्युत चुम्बकीय तरंग एक विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र है जो पारस्परिक रूप से एक दूसरे में परिवर्तित हो जाती है।

विद्युत चुम्बकीय तरंग में, विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र का एक दूसरे में परिवर्तन एक ही समय में होता है, इसलिए चुंबकीय और विद्युत ऊर्जा का आयतन घनत्व एक दूसरे के बराबर होता है। इसलिए, यह सच है कि मापांक निम्नलिखित कनेक्शन के माध्यम से अंतरिक्ष में किसी भी बिंदु पर विद्युत क्षेत्र की ताकत और चुंबकीय क्षेत्र प्रेरण एक दूसरे से संबंधित हैं:

विद्युत चुम्बकीय तरंगें ऊर्जा ले जाती हैं

इसके प्रसार की प्रक्रिया में एक विद्युत चुम्बकीय तरंग विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का प्रवाह बनाती है, और यदि हम लहर के प्रसार की दिशा में लंबवत क्षेत्र में क्षेत्र को ध्यान में रखते हैं, तो एक निश्चित मात्रा में विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा इसके माध्यम से आगे बढ़ेगी कम समय। विद्युतचुंबकीय ऊर्जा प्रवाह घनत्व ऊर्जा की वह मात्रा है जो किसी सतह पर प्रति इकाई क्षेत्र प्रति इकाई समय में विद्युतचुंबकीय तरंग द्वारा वहन की जाती है। वेग के मूल्यों, साथ ही चुंबकीय और विद्युत ऊर्जा को प्रतिस्थापित करके, मात्रा ई और बी के संदर्भ में प्रवाह घनत्व के लिए एक अभिव्यक्ति प्राप्त करना संभव है।

पॉयंटिंग वेक्टर - तरंग के ऊर्जा प्रवाह का वेक्टर

चूँकि तरंग ऊर्जा के प्रसार की दिशा तरंग के प्रसार के वेग की दिशा के साथ मेल खाती है, विद्युत चुम्बकीय तरंग में फैलने वाले ऊर्जा प्रवाह को उसी तरह निर्देशित वेक्टर का उपयोग करके सेट किया जा सकता है जैसे तरंग के प्रसार का वेग। इस वेक्टर को "पॉयंटिंग वेक्टर" कहा जाता है - ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी हेनरी पोयंटिंग के सम्मान में, जिन्होंने 1884 में एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के ऊर्जा प्रवाह के प्रसार के सिद्धांत को विकसित किया था। तरंग ऊर्जा फ्लक्स घनत्व को W/m2 में मापा जाता है।

विद्युत चुम्बकीय तरंगें उन पिंडों के खिलाफ दबाती हैं जो उन्हें प्रतिबिंबित या अवशोषित करते हैं

जब कोई विद्युत क्षेत्र किसी पदार्थ पर कार्य करता है, तो उसमें छोटी धाराएँ दिखाई देती हैं, जो विद्युत आवेशित कणों की क्रमबद्ध गति होती हैं। एक विद्युत चुम्बकीय तरंग के चुंबकीय क्षेत्र में ये धाराएँ एम्पीयर बल की क्रिया के अधीन होती हैं, जो पदार्थ में गहराई से निर्देशित होती हैं। परिणामस्वरूप, एम्पीयर का बल दबाव उत्पन्न करता है।

इस घटना की बाद में, 1900 में, रूसी भौतिक विज्ञानी प्योत्र निकोलायेविच लेबेडेव द्वारा अनुभवजन्य रूप से जांच की गई और पुष्टि की गई, जिसका प्रायोगिक कार्य मैक्सवेल के विद्युत चुंबकत्व के सिद्धांत और भविष्य में इसकी स्वीकृति और अनुमोदन की पुष्टि करने में बहुत महत्वपूर्ण था।

तथ्य यह है कि विद्युत चुम्बकीय तरंग का दबाव विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में एक यांत्रिक आवेग की उपस्थिति का अनुमान लगाना संभव बनाता है, जिसे विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के वॉल्यूमेट्रिक घनत्व और एक निर्वात में तरंग के प्रसार की गति द्वारा प्रति इकाई आयतन में व्यक्त किया जा सकता है:

चूँकि संवेग द्रव्यमान की गति से संबंधित है, इसलिए विद्युत चुम्बकीय द्रव्यमान जैसी अवधारणा को पेश करना संभव है, और फिर एक इकाई आयतन के लिए यह अनुपात (एसटीआर के अनुसार) प्रकृति के एक सार्वभौमिक नियम के चरित्र को ग्रहण करेगा और मान्य होगा पदार्थ के रूप की परवाह किए बिना किसी भी भौतिक शरीर के लिए। तब विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र एक भौतिक पिंड के समान होता है - इसमें ऊर्जा W, द्रव्यमान m, संवेग p और टर्मिनल वेग v होता है। अर्थात्, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र वास्तव में प्रकृति में विद्यमान पदार्थ के रूपों में से एक है।

मैक्सवेल के सिद्धांत की अंतिम पुष्टि

1888 में पहली बार, हेनरिक हर्ट्ज़ ने मैक्सवेल के विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत की प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की। उन्होंने अनुभवजन्य रूप से विद्युत चुम्बकीय तरंगों की वास्तविकता को सिद्ध किया और उनके गुणों का अध्ययन किया जैसे कि विभिन्न मीडिया में अपवर्तन और अवशोषण, साथ ही धातु की सतहों से तरंगों का प्रतिबिंब।

हर्ट्ज तरंग दैर्ध्य को मापता है विद्युत चुम्बकीय विकिरण, और दिखाया कि एक विद्युत चुम्बकीय तरंग के प्रसार की गति प्रकाश की गति के बराबर होती है। मैक्सवेल के विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत की स्वीकृति की दिशा में हर्ट्ज़ का प्रायोगिक कार्य अंतिम चरण था। सात साल बाद, 1895 में, रूसी भौतिक विज्ञानी अलेक्जेंडर स्टेपानोविच पोपोव ने वायरलेस संचार बनाने के लिए विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग किया।

विद्युत चुम्बकीय तरंगें केवल त्वरित गतिमान आवेशों से उत्तेजित होती हैं

प्रत्यक्ष वर्तमान सर्किट में, चार्ज एक स्थिर गति से चलते हैं और इस मामले में विद्युत चुम्बकीय तरंगें अंतरिक्ष में उत्सर्जित नहीं होती हैं। वहाँ विकिरण होने के लिए, एक एंटीना का उपयोग करना आवश्यक है जिसमें वैकल्पिक धाराएँ, यानी धाराएँ जो जल्दी से अपनी दिशा बदलते हैं, उत्तेजित हो जाते हैं।

अपने सरलतम रूप में, छोटे आकार का एक विद्युत द्विध्रुव विद्युत चुम्बकीय तरंगों को विकीर्ण करने के लिए उपयुक्त होता है जहाँ समय के साथ द्विध्रुव आघूर्ण तेजी से बदलता है। इस तरह के द्विध्रुव को आज "हर्ट्ज़ियन द्विध्रुव" कहा जाता है, जिसका आकार इसके द्वारा उत्सर्जित तरंग दैर्ध्य से कई गुना छोटा होता है।

जब हर्ट्ज़ियन द्विध्रुव से उत्सर्जित होता है, तो विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का अधिकतम प्रवाह द्विध्रुव के अक्ष के लम्बवत् तल पर पड़ता है। द्विध्रुव की धुरी के साथ विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का कोई विकिरण नहीं है। हर्ट्ज के सबसे महत्वपूर्ण प्रयोगों में, प्राथमिक द्विध्रुव का उपयोग विद्युत चुम्बकीय तरंगों के उत्सर्जन और प्राप्त करने दोनों के लिए किया गया था, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अस्तित्व को साबित करता है।