| 1. Jak zostały odkryte fale elektromagnetyczne? |
|
|
To, że wiemy o istnieniu fal elektromagnetycznych
w dużym stopniu jest zasługą Michaela Faraday'a. Jego doświadczenia zainspirowały
Clerka Maxwell'a do stworzenia teorii elektromagnetyzmu.
|
|
|
Michael Faraday (1791-1867)
Urodził się w Newington w Anglii. Wychowywał się w biednej rodzinie, był samoukiem.
Jako młody chłopiec został oddany na naukę do introligatora, gdzie czytał dużo książek.
w wieku dwudziestu lat uczęszczał na wykłady słynnego brytyjskiego naukowca
Humphry'a Davy'ego. Był tak zafascynowany tymi wykładami, że spisał je, oprawił
i wysłał Davy'emu. Dołączył również list, w którym prosił o posadę w laboratorium,
rok później ją otrzymał. Faraday wykonywał wiele doświadczeń i mimo tego, że brakowało mu
podstaw matematycznych dokonał wielu odkryć w dziedzinie elektryczności.
|
|
|
|
W 1821 roku Faraday odkrył zjawisko rotacji elektromagnetycznej.
Przetworzył energię elektryczną wytworzoną przez baterie na energie mechaniczną ruchu przewodu
lub magnesu. Urządzenie, które dokonuje takiej przemiany zwane jest silnikiem elektrycznym.
Urządzenie, które wykorzystał do przeprowadzenia eksperymentu przedstawiono poniżej:
|
|
|
 |
|
| Urządzenie zastosowane do zjawiska rotacji elektromagnetycznej |
|
|
Powyższy schemat tworzy obwód zamknięty, z lewej strony mamy ruchomy
magnes, który może swobodnie obracać się w naczyniu z rtęcią. Faraday dlatego użył rtęci,
ponieważ dobrze przewodzi prąd i jest cieczą, co pozwala na swobodny ruch magnesu. w rtęci
zanurzony jest nieruchomy przewód podłączony do jednego zacisku baterii, a ruchoma metalowa
oś, na której znajduje się magnes jest przyłączona do drugiego zacisku baterii.
Po połączeniu obwodu płynie przez rtęć i przewody prąd (obwód jest zamknięty).
Przepływ prądu powoduje wytworzenie pola magnetycznego wokół przewodu. Pole magnetyczne wokół
przewodnika z prądem i pole magnesu stałego oddziałują ze sobą. Skutkiem tego jest obracanie
się magnesu.
z prawej strony jest zamocowany nieruchomo magnes, zawieszony przewód ma możliwość
obrotu. Gdy prąd przepływa przez rtęć i przewód, wokół przewodu indukuje się pole magnetyczne.
Pole to oddziałuje z polem stałego magnesu, w wyniku czego ruchomy przewód obraca się dokoła
magnesu.
W wyniku kolejnych eksperymentów Faraday odkrył zjawisko indukcji
elektromagnetycznej. w tym doświadczeniu użył następującego urządzenia:
|
|
|
 |
|
| Urządzenie zastosowane do badania zjawiska indukcji elektromagnetycznej |
|
|
Dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, podczas wsuwania
i wysuwania magnesu do wnętrza uzwojenia, indukuje się w tym uzwojeniu prąd. Kierunek
przepływu prądu zależy od tego, czy magnes wsuwamy czy wysuwamy. Im magnes jest szybciej
przesuwany tym galwanometr wskazuje większe natężenie prądu.
Kolejne urządzenie skonstruowane przez Faraday'a to transformator.
|
|
|
 |
|
| Transformator |
|
|
Uzwojenie A w transformatorze połączone jest z baterią, a uzwojenie B
z galwanometrem. Oba uzwojenia znajdują się na żelaznym pierścieniu. Po zamknięciu wyłącznika
w uzwojeniu A płynie prąd elektryczny. Faraday zauważył, że wskazówka galwanometru w uzwojeniu
B wychyliła się. Wychylała się ona jedynie przy zamykaniu i otwieraniu obwodu A. Faraday
przyjął, że indukuje się pole magnetyczne we wnętrzu pierścienia, a to pole z kolei indukuje
prąd w drugim obwodzie
Wszystko, czego dokonał Faraday nie do końca było zrozumiałe w jego
czasach, gdyż brakowało w tym matematycznego wyjaśnienia. Dopiero w 1864 wielki matematyk
Clerk Maxwell dokonał opisu matematycznego zjawisk. Teoria Maxwella dała możliwość odkrycia
fal radiowych, promieni rentgenowskich i mikrofal.
|
|
|
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Urodził się w Edynburgu, wychowywał się w bogatej rodzinie, zdobył dobre wykształcenie
matematyczne. w 1856 r. został profesorem uniwersytetu w Aberdeen, w 1860 w Kings College
w Londynie, a w 1871 w Cambridge. Był autorem wielu prac teoretycznych, które dotyczyły
podstaw elektrodynamiki klasycznej, optyki, teorii barw.
|
|
|
Korzystając z wiedzy o związkach między magnetyzmem a elektrycznością,
uzyskał on cztery równania matematyczne. z równań tych wynika m.in. istnienie fal
elektromagnetycznych
1.) Pierwsze równanie opisuje prawo Gaussa dla elektryczności,
podaje związek pomiędzy strumieniem elektrycznym, przechodzącym przez powierzchnię i
całkowitym ładunkiem zamkniętym wewnątrz niej.
2.) Drugie równanie opisuje prawo Gaussa dla magnetyzmu, mówi o tym,
że linie indukcji pola magnetycznego są zawsze liniami zamkniętymi. w przyrodzie nie istnieją
oddzielne monopole magnetyczne.
3.)Trzecie równanie opisuje prawo indukcji Faraday. Jeżeli w pewnym
układzie odniesienia pole magnetyczne B ulega zmianom, to w układzie tym powstaje indukowane
pole elektryczne, którego wielkość zależy od szybkości zmian strumienia pola magnetycznego.
4.)Czwarte równanie opisuje prawo Amper'a. Jeżeli w pewnym układzie
odniesienia ulega zmianom pole elektryczne , to w układzie tym powstaje pole magnetyczne o indukcji
proporcjonalnej do szybkości zmian strumienia pola elektrycznego.
Określił on fale elektromagnetyczną jako przenikające się wzajemnie zmienne pole elektryczne
i magnetyczne.
Jego prawa najprościej sformułowane brzmią następująco:
1. Wokół zmiennego pola elektrycznego powstaje wirowe pole magnetyczne.
2. Wokół zmiennego pola magnetycznego powstaje wirowe pole elektryczne.
Maxwell dokonał unifikacji światła, elektryczności i magnetyzmu. Obliczając prędkość fal elektromagnetycznych stwierdził, że wartość, którą uzyskał była identyczna z prędkością światła, czyli wynosiła ok. 300 000 kilometrów na sekundę. z teorii Maxwella wynikało, że istnieje szeroki zakres fal elektromagnetycznych, ale wówczas znane tylko były: promieniowanie podczerwone, promieniowanie ultrafioletowe oraz światło widzialne.
|
