Vlastnosti elektromagnetického vlnění

Elektromagnetické vlnění

– má dvě navzájem neoddělitelné složky. Elektrickou charakterizuje vektor intenzity el. pole E a magnetickou vektor mag. indukce B.

Vektory E a B jsou navzájem kolmé, mají souhlasnou fázi a jejich kmity probíhají napříč ke směru, kterým se vlnění šíří.

Elektromagnetické vlnění je vlnění příčné a má vlastnosti vlnové a kvantové:

         vlnové (odraz, lom, ohyb, interference, polarizace)

         kvantové (fotoelektrický jev)

Šíří se vakuem rychlostí c = 3 × 10⁸ m × s^–1. To je mezní rychlost ve vesmíru.

Mezi frekvencí kmitání, vlnovou délkou a rychlostí šíření je vztah:

c = l × f

Polarizace elektromagnetického vlnění

Jestliže se směr vektorů E a B  v elektromagnetické vlně nemění, mluvíme o lineárně polarizované vlně. Vlnění vyzařované dipólem je polarizováno tak, že v rovině dipólu leží vektor E a v rovině kolmé k dipólu leží vektor B.

O polarizaci elektromagnetického vlnění se přesvědčíme tak, že mezi dipól vysílače a přijímače vložíme mříž vytvořenou z rovnoběžných vodičů. Jsou-li vodiče mříže a dipóly rovnoběžné, chovají se jako rezonátory. Pohlcují dopadající energii a vlnění k dipólu přijímače nedospěje. Otočíme-li mříž o 90°, kmitání ve vodičích nevzniká a vlnění mříží prochází.

Odraz a ohyb elektromagnetického vlnění

            Plošný vodič je pro elmg. vlnění překážkou, kterou vlnění neproniká a odráží se od ní.

Při kolmém dopadu na vodivou překážku se vlnění odráží zpět směrem k vysílači, interferuje s postupujícím vlněním a v prostoru mezi dipólem a překážkou vzniká stojaté vlnění. Ve vhodné vzdálenosti od dipólu vysílače se amplituda kmitů zvětší a přijatý signál zesílí. Toho se využívá při konstrukci antén.

Elektromagnetické vlnění , které dopadá na vodivou překážku pod určitým úhlem, se odráží podle zákona odrazu.

Vlnová délka vlnění má vliv na vznik stínu za překážkou. Jsou-li rozměry plošného vodiče větší než vlnová délka, nepronikne vlnění za překážku a za plošným vodičem vzniká stín. Jsou-li rozměry překážky malé vzhledem k vlnové délce, vlnění za překážku proniká, avšak část energie vlnění se i v tomto případě odráží.

Interference elektromagnetického vlnění

            K dipólu přijímače může dorazit vlnění jednak přímo, jednak po odrazu od vodivé překážky. Přímá a odražená vlna se skládají (interferují) a amplituda výsledného vlnění závisí na rozdílu drah  l obou vlnění. Jestliže , setkávají se vlnění se stejnou fází a amplituda výsledného vlnění se zvětší. Při  se obě vlnění setkávají s opačnou fází a výsledné vlnění má menší amplitudu.

Vliv prostředí na délku elektromagnetické vlny

            Rychlost světla v daném prostředí je určena vztahem

kde a  jsou relativní permitivita a relativní permeabilita prostředí. V uvedené podobě platí vzta pro relativně nízké frekvence. Pro vodu je např. = 81 a   = 1, takže v = (1/9)c. V tomto poměru se také ve vodě krátí vlnová délka elektromagnetického vlnění určité frekvence a dipól pro jeho příjem je devětkrát kratší.

Šíření elektromagnetického vlnění

V dalším výkladu se budeme zabývat pouze vlněním vyzařovaným anténami radioelektronických zařízení. Vlnové délky dosahují v těchto případech hodnot řádově 10³ m až 10^-2 m.

U dlouhých a středních vln (10³ m, 10² m) se značně uplatňuje ohyb vlnění podé zemského povrchu, takže jejich příjem je možný i za velmi rozměrnými překážkami.

Pro příjem velmi krátkých vln (1 m – 0,1 m) rozhlasového vysílání a televizního signálu  požadujeme přibližně přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem.

Krátké vlny (10 m) se při šíření odráží od ionosféry (60 – 80 km nad povrchem). Ionosféra obsahuje určité množství molekul rozštěpených účinkem slunečního ultrafialového záření na ionty a volné elektrony. Proto se ionosféra chová vůči elektromagnetickému vlnění jako vodivá plocha.

           

Na přímočarém šíření velmi krátkého elektromagnetického vlnění a jeho odrazu od vodivých překážek je založena radiolokace.

RADAR (Radio Detecting And Randing) označuje zařízení pro zjišťování a dálkové určování rádiem.

Základem radiolokátoru je vysílač elektromagnetického vlnění o vlnových délkách 0,01 m až 0,5 m. Vlnění je vyzařováno v krátkých impulsech anténou, která má často tvar mohutné paraboly. Vlnění se šíří v úzkém paprsku směrem ke sledovanému objektu a po odrazu od jeho povrchu se vrací k anténě. V přijímači radiolokátoru se zjišťuje doba t, která uplynula od vyslání impulsu, takže vzdálenost objektu l = ct/2.

Směr objektu, který je určen polohou antény v okamžiku vyslání impulsu, a vzdálenost určují souřadnice sledovaného objektu v prostoru.

Elektromagnetická interakce

Elektromagnetické pole, které tvoří elektromagnetické vlnění, není vázáno na existenci nabitých těles a vlnění se šíří i v prostoru bez elektrických nábojů, např. ve vakuu. Příčinou je elektromagnetická indukce – měnící se elektrické pole vytváří pole magnetické. Tento poznatek je základem Maxwellovy teorie elektromagnetického pole.

Magnetické pole je kolem vodičů, jimiž se pohybují náboje, ale i v měnícím se elektrickém poli, ve kterém volné nosiče nábojů neexistují. Rozdíl je jen v tom, že kolem vodičů vzniká magnetické pole i při ustáleném proudu, kdežto vznik magnetického pole v elektrickém poli je podmíněn jeho změnou.

Z teorie elektromagnetického pole vyplývá, že nejen magnetické, ale ani elektrické pole není nutně vázáno na přítomnost nosičů náboje. Elektrické pole se indukuje změnami pole magnetického i ve vakuu nebo dielektriku bez volných nosičů náboje. Avšak na rozdíl od elektrického pole tvořeného náboji, v němž siločáry začínají na náboji kladném a končí na náboji záporném, siločáry indukovaného elektrického pole jsou křivky uzavřené. Indukční čáry magnetického pole jsou na rozdíl od siločar elektrického pole vždy uzavřené. Obě pole jsou neoddělitelně spjata a vytvářejí jediné elektromagnetické pole.

Důkazem správnosti Maxwellovy teorie je právě objev elektromagnetického vlnění. Jeho autorem je německý fyzik H.Hertz. Teorie elektromagnetického pole je základem elektrodynamiky, která vysvětluje děje, při kterých vzniká elektrická nebo magnetická síla.

Na obrázku jsou některé příklady tohoto silového působení: dvě nabitá tělesa se přitahují nebo odpuzují (a), podobně se přitahují nebo odpuzují vodiče, jimiž prochází proud (b), magnetka se v blízkosti vodiče s proudem vychyluje, vodič s proudem je působením magnetického pole uváděn do pohybu (c), trajektorie částice s nábojem v elektrickém a magnetickém poli se zakřivuje (d) apod.

Všechny tyto poznatky svědčí o existenci elektromagnetického vzájemného působení neboli elektromagnetické interakci. Tento druh interakce je jednou ze základních forem vzájemného působení hmotných objektů. Síly, které vznikají při elektromagnetické interakci jsou poměrně značné. Mnohem slabší je např. gravitační interakce, která se projevuje při vzájemném působení těles. Další, tzv. slabá interakce a silná interakce, se týkají silového působení mezi elementárními částicemi. Jejich existencí vysvětlujeme např. děje v jádrech atomů.

Uvedené typy interakcí představují elementární formy silového působení, s nimiž se při výkladu fyzikálních jevů setkáme, a každé známé silové působení lze pomocí těchto interakcí vyložit.