Vznik elektromagnetické vlny

Elektromagnetické vlny byly v roce 1864 teoreticky předpovězeny Jamesem Clerkem Maxwellem. Maxwellovi se podařilo propojit všechny tehdy známé vlastnosti elektrického a magnetického pole do podoby čtyř rovnic. Z nich vyplývá, že jestliže měnící se magnetické pole může vytvářet elektrické pole (Faradayův zákon), tak symetricky měnící se elektrické pole může také vytvářet symetricky se měnící magnetické pole. Společně pak vytváří elektromagnetickou vlnu. A dokonce navrhl, abychom o světle, do té doby studovaném jako zcela oddělený jev, přemýšleli také jako o elektromagnetické vlně.

Na experimentální potvrzení existence elektromagnetických vln si lidé museli počkat až do roku 1887. Tehdy provedl německý fyzik Heinrich Hertz slavný experiment, ve kterém vytvářel elektromagnetické vlny, které následně zachytil jednoduchou anténou. Při svých experimentech pozoroval jevy jako odraz, lom, ohyb a interferenci a dokonce prokázal, že se tyto vlny šíří rychlostí světla, jak předpověděl Maxwell.

26.9 – Objev elektromagnetických vln pomocí jednoduché antény. Heinrich Hertz ve své laboratoři v roce 1887.
Zdroj

Již o 14 let později, v roce 1901, došlo k prvnímu praktickému využití elektromagnetických vln. Guglielmo Marconi, uvědomující si potenciál elektromagnetických vln pro komunikaci, uskutečnil přenos informace pomocí radiových vln. Ve městě St. John's (Kanada) zachytil radiový signál vysílaný z Cornwallu (Anglie).

A dnes? Elektromagnetické vlny dokážeme zachytit i vytvořit, používáme je k pozorování vesmíru, ke komunikaci a přenosu informací, zobrazujeme pomocí nich dříve neviditelné.

Podívejme se podrobněji, jak elektromagnetické vlny vznikají. Potřebujeme mít zdroj napětí – vysokofrekvenční oscilátor a připojit k němu jednoduchou anténu, kterou tvoří dva rovné dráty. Ke každému kousku drátu je připojen jeden pól napětí oscilátoru. Hovoříme o elektromagnetickém dipólu.

Vznik elektromagnetické vlny

26.10a – V čase t = 0 s je elektrické pole ve studovaném bodě P maximální. Vzhledem k polaritě nábojů ve vodiči je toto pole orientované směrem dolů a můžeme ho znázornit pomocí vektoru elektrické intenzity E.
Zdroj

26.10b – O malou chvíli později se hustota nábojů zmenší, pole E má v bodě P menší intenzitu, zatímco v bodě Q je maximální. Změny v hustotě náboje na anténě vidíme v bodě Q s malým zpožděním, protože se tento signál šíří s konečnou rychlostí.
Zdroj

26.10c – Ve čtvrtině cyklu t = T/4 se pole v bodě P zcela vyruší, má nulovou intenzitu.
Zdroj

26.10d – Nyní se polarita zdroje a tím i elektrického pole v bodě P zcela otočila.
Zdroj

26.10e – V polovině cyklu t = T/2 je elektrické pole v bodě P opět maximální, má ale opačnou výchylku.
Zdroj

26.10f – V čase t = 3T/4 je pole v bodě P opět nulové a my pozorujeme, jak se elektrické signály generované anténou šíří v prostoru.
Zdroj

Zatím jsme popsali, jak je vytvářena polovina elektromagnetické vlny. Podívejme se nyní, kde se vytváří její magnetická složka a jak je s elektrickou spojena.

26.11 – Pohybující se náboj tvoří v anténě elektrický proud, který je zdrojem magnetického pole \(\Vec{B}\). Vektor magnetické indukce směřuje dozadu.
Zdroj

Pohybující se náboje v anténě dipólu vytváří střídavý elektrický proud, který je příčinou vzniku střídavého magnetického pole. Podívejte se na obrázek 26.11 a použijte pravidlo pravé ruky. Jestliže elektrický proud teče vodičem vzhůru, směr magnetického pole v uvažovaném bodě P je kolmo od nás. Což je znázorněno kolečkem s křížkem. V tomto okamžiku je proud maximální, vektor magnetické indukce \(\Vec{B}\) má tedy také maximální hodnotu. V čase \(t=T/4\), kdy je elektrické pole nulové, proud má nulovou hodnotu a magnetické pole je taktéž nulové. Můžeme říci, že elektrické pole a magnetické pole kmitají společně, ale ve dvou navzájem kolmých směrech.

Elektromagnetickou vlnu tedy můžeme znázornit jako na následujícím obrázku.