Aniq tabiiy va jismoniy madaniyat

2.3 Elektromagnit to‘lqin energiyasi. Umov-Poynting vektori.

Elastik to’lqin tarqalganidagiga o’хshash, elektrоmagnitik to’lqin tarqalishida energiya

ko’chadi (оqadi). Elastik to’lqinda energiya оqishi to’g’risidagi masalani birinchi marta (1874y.)
N.A.Umоv tekshirdi va har qanday muhitda energiya оqimi to’g’risidagi umumiy teоremani isbоt
qildi. Elastik to’lqindagi energiya оqimi elastik muhitning elastik defоrmasiyasining pоtensial
energiyasini va zarralari harakatining kinetik energiyasini harakterlоvchi kattaliklar оrqali
hisоblanishi mumkin. Energiya оqimining zichligi maхsus vektоr (Umоv vektоri) оrqali
ifоdalanadi. Shunga o’хshash tekshirish elektrоmagnitik to’lqinlarda ham unumli bo’ladi. Elektr
maydоnining energiyasini elastik defоrmasiyaning pоtensial energiyasiga, magnit maydоnining
energiyasini esa defоrmasiyalangan jism qismlari harakatining kinetik energiyasiga ma’lum
darajada o’хshatish mumkin. Хuddi elastik defоrmasiya hоlidagidek, elektrоmagnitik to’lqinda
energiyaning nuqtadan nuqtaga uzatilishi elektr va magnit kuchlanganliklarining to’lqinlari bir хil
fazada bo’lishi bilan bоg’liqdir. Bunday to’lqin yugurma to’lqin deyiladi. Yugurma elastik yoki
elektrоmagnitik to’lqinda energiya harakatini energiya оqimi deb ataladigan Ѕ vektоr yordamida
tasvirlash qulay; bu vektоr to’lqinda 1m2 оrqali 1s mоbaynida qancha energiya miqdоri оqib
o’tishini ko’rsatadi. Elektrоmagnitik to’lqinlar uchun bu vektоrni Pоynting (1884y.) kiritgan. Uni
Umоv-Pоynting vektоri deb atash o’rinlidir.
Elektromagnit to‘lqinlarni payqash mumkinligi (uchqun chiqishi, lampochkaning
shu’lanishini va hakazo) bu to‘lqinlarning o‘zi bilan energiya ko‘chirib yurishini ko‘rsatadi. Birlik
hajmidagi elektromagnit maydon energiyasi ya’ni elektr maydon energiyasini zichligi

Elektromagnit maydonda elektr va magnit maydonlar energiyalarining zichliklari har bir

momentda birday bo‘ladi, ya’ni e=m u holda (4.6) quyidagicha yoziladi.
= 2e = 2m = εε0E2 = μμ0H2 (4.7)
Bundan E H 0 0 (4.8)(4.8) ga asosan (4.7) ni quyidagicha yozish mumkin
E H 0 0 (4.9) (4.1)ifodaga asosan (4.9) ni quyidagicha yozamiz
S-birlik vaqtda birlik yuza orqali ko‘chirilayotgan energiya ya’ni S== EH
bu ifodani vektor ko‘rinishda S=[EH] shaklida yozish mumkin. E va H lar o‘zaro perpendikulyar
bo‘lganligi uchun bu vektorlarning vektor ko‘paytmasi elektromagnit to‘lqinning tarqalish
yo‘nalishidagi S vektordir. S vektorni Umov-Poynting vektori deb ataladi.
Elektromagnit to‘lqinlarning qo‘llanilishi va shkalasi
Elektromagnit to‘lqinlar birinchi marta Gers tajribasidan 8 yil keyin 1895 yil 7 mayda rusfizigi A.S.Popov tomonidan amalda qo‘llanildi. A.S.Popov rus-fizika-ximiya jamiyati majlisida dunyoda birinchi radiopriyomnikni demonstratsiya qildi va elektpromagnit to‘lqinlarni simsiz aloqa vositasi sifatida keng ishlatish mumkinligini ko‘rsatdi. Diapazoni santimetr va millimetr bo‘lgan elektromagnit to‘lqinlar radiolokatsiya (to‘lqinlarni to‘siqlardan qaytish) da keng qo‘llaniladi.
Hozirgi paytda fan va texnikaning hech bir sohasi yo’qi unda elektro magnit to‘lqinlar ishlatilmasin. Radioeshittirish uchun radioto‘lqinlarning hamma diapazonlari ishlatiladi.
Televideniye sxemasi radioeshittirish sxemasi bilan deyarli bir xil. Farqi shundaki, uzatkichda tebranishlar nafaqat tovush signallari, balki tasvir signallari ham modulyatsiya qilinadi.
Uzatish telekamerasida tasvir elektron nur trubkasi yordamida qayta tiklanadi. Uzatilayotgan va qabo’l qilinayotgan signallar shunday sinxronlashtirilganki, televizor trubkasidagi elektron nurining
harakati uzatuvchi telekamera nurining harakatini takrorlaydi.
Hozirgi paytda elektromagnit to‘lqinlar yordamida qo‘zg‘almas va harakatlanuvchi ob’yektlar tasvirini uzatish (fototelegrafiya, televideniye), samolyot va kemalarni boshqarish (radionavigatsiya), Yer ostida masofani aniq o‘lchash (radiogeodeziya) mumkin. Radioantenna va radioteleskoplar yordamida koinotning juda uzoq nuqtalarida joylashgan ob’ektlarni radiozond qilish va ulardan kelayotgan to‘lqinlarni qabo’l qilish imkoniyati ochildi.
Maksvelning EM to’lqinlarining mavjudligi bashorati xayratlanarli edi. EM to’lqinlarining yoruglik tezligi kabi 3 x 108 m/s tezlikda harakatlanishini oldindan aytilishi ham teng darajada diqqatga sazovor edi. Yoruglik nurining Maksvell ishidan 60 yil ilgari to’lqin singari harakatlanishi ko’rsatilgan edi. Birok, hech kim uni qanaka to’lqinligini bilmas edi. Nima u yoruglik tezligidagi tebranuvchi narsa? Maksvell, EM to’lqinlari tezligi hisob kitobi asosida yoruglik nuri EM to’lqini bo’lsa kerak deb aytib o’tgan edi. Bu fikr tez orada olimlar tomonidan umumravishda qabo’l qilindi, lekin toki EM to’lqinlari tajriba asosida aniqlanmagunicha to’lik emas edi. EM to’lqinlar birinchi bo’lib Genrix Gers (1857-1894) tomonidan ishlab chiqilgan va aniqlangan, Maksvell o’limidan 8 yildan so'ng. Gers elektrodearo-bo’shliq apparatini ishlatgan, unda zaryadni qisqa vaqt davomida orqaga va oldinga harakatlanishi oqibatida 109Hz chastotalik to’lqinlarni yaratgan. U sim halqa yordamida ularni masofada aniqlagan, o’zgaruvchan magnit maydonning ushbu halqa orasidan o’tishi EYUK ni hosil qilgan1. Bunday to’lqinlar keyinchalik 3 x 108 m/s yoruglik tezligida harakatlanishi namoyish etilgan va yoruglikning aks, refraksiya va interferensiya kabi barcha xususiyatlarini o’zida ko’rsatgan. Yagona farqi ular ko’rinmasligi bo’lgan. Gers tajribasi Maksvell teoriyasini ajoyib isboti bo’lgan.
Ko’zga ko’rinadigan yoruglik nuri to’lqin uzunliklari XIX asr birinchi o’n yilligida o’lchangan, hech kim xatto yoruglik nurini EM to’lqin ekanligini tasavvur ham qilmagan davrda. To’lqin uzunliklari 4.0 x 10-7 m va 7.5 x 10-7 m yoki 400nm dan 750nm (1nm = 10-9 m) orasida etishi aniqlangan. Ko’zga ko’rinadigan yorug’lik nuri chastotalari tenglama orqali topilgan:
C =(4.10)va to’lqin chastotasi va uzunligi. s esa eruglik tezligi, 3 x 108 m/s, bu ochiq fazodagi barcha EM to’lqinlarga universaldir. (4.10) tenglama ko’zga kurinadigan yoruglik nurining chastotasi
4.0 x 1014Hz va 7.5 x 1014 Hz orasida bo’lishini bizga aytadi. (1 Hz = 1 sikl/sekund = 1 s-1.) Lekin ko’zga ko’rinadigan yoruglik nuri EM to’lqinining bir turidir. Biz hali ko’rganimizdek, Gerts kichkina chastotalik EM to’lqinlarini ishlab chiqqan, 109Hz. Hozirda ular radioto’lqinlar deb ataladi, chunki shu diapazondagi chastotalar radio va TV signallarini yuborishda ishlatiladi. EM to’lqinlar eski EM radiatsiya ko’p turdagi chastotalarda ishlab chiqilgan va aniqlangan. Ular odatda 4.5- rasmdagidek gruppalashtiriladi, qaysiki elektromagnit spektri deb nom olgan.

Radio to’lqinlar va mikroto’lqinlar elektronika jihozlarni ishlatgan holda laboratoriya sharoitida ishlab chiqarilishi mumkin (4.2- rasm). Yukori chastotalik to’lqinlarni elektronik yo’l bilan ishlab chiqarish juda ham qiyin. Bunday va shunga o’xshash EM to’lqinlar tabiiy jarayonlarda ishlab chiqariladi, masalan atomlar, molekulalar va yadro emissiyasi. EM to’lqinlari elektronlarni yoki boshqa zaryadlangan zarrachalarni tezlantirish orqali olinishi ham mumkin, masalan 4.2- rasmdagi antennadagi elektronlar. X-nurlar juda kichik to’lqin uzunligiga ega (va juda katta chastotaga ega) va ular tez-harakatlanadigan elektronlar metaldan yasalgan mo’ljalni urganda juda tez sekinlanishi oqibatida vujudga keladi. Xatto oddiy qizigan lampochkadan chiqadigan ko’zga ko’rinadigan yorug’lik nuri bu issiq lampochka “sim” ichdan chiqayotgan elektronlar sabablidir.

Biz keyinchalik EM to’lqinlarni har xil turlarini uchratamiz. Biroq, shu yerda aytib o’tish joizki, infraqizil radiatsiya (IR) (ko’zga ko’rinadigan yorug’lik nuri chastotasidan kichik chastotaga ega EM to’lqinlar) quyoshni isitish ta’siriga o’z hissasini qushadi. Quyosh nafaqat ko’zga ko’rinadigan yorug’lik nuri, balki bir qancha IQ va UF (ultrafiolet) nurlarini ham chiqaradi1.
Bizning terimiz molekulalari infraqizil chastotalarida “tebranadi”, shuni oqibatida ular yutiladi va bizni isitadi. Biz insonlar EM to’lqinlarni to’lqin uzunligiga qarab turlicha xis etamiz: bizning ko’zlarimiz to‘lqin uzunligi 4.0 x 10-7 m va 7.5 x 10-7 m (ko‘zga ko’rinadigan yorug’lik nuri) orasidagi to’lqinlarni ilg’ay oladi, terimiz esa IQ to’lqin uzunligidan uzunlarini sezadi. Ko’plab EM to’lqin uzunliglarini to’g’ridan to’g’ri aniqlay olmaymiz1.
Yoruglik va boshka elektromagnetik to’lqinlar 3·108 m/s tezlik bilan harakatlanadi.Buni million marta sekinrok bo’lgan, havoda 300m/s tezlik bilan harakatlanadigan tovush, yoki yoruglikdan 10 million marta kichik bo’lgan odatiy avtomobil tezligi, 30 m/s (100 km/soat, 60 mil/soat) bilan solishtiring. EM to’lqinlari tovush to’lqinlaridan boshqacha tarzda katta farq qiladi: tovush to’lqinlari havo kabi o’rtacha harakat qiladi, va havo molekulalarining harakatini jalb qiladi. EM to’lqinlar xech qanday materiallarni jalb qilmaydi – faqatgina maydonlar, va bo’sh fazoda harakatlana oladi.
O‘zgaruvchan magnit maydonda turgan karakatsiz o‘tkazgichda induksiya EYuK ning vujudga kelishi xaqida yukorida fikr yuritilgan edi. Lekin elektr toki vujudga kelishi uchun zaryad tashuvchilarni xarakatga keltiruvchi tashki kuchlar mavjud bo‘lmogi kerak. Unda mazkur xolda elektronlarni qanday kuchlar xarakatga keltiradi, degan savol tugiladi. Tabiiyki, bu kuch issikdik jarayonlariga xam, kimyoviy jarayonlarga xam bog‘liq emas. U Lorens kuchi xam emas. Chunki u xarakatsiz zaryadga ta’sir etmaydi. Maksvell magnit maydonning xar qanday o‘zgarishi elektr maydonni vujudga keltiradi va aynan ana shu elektr maydon xarakatsiz щtkazgich ichidagi elektronlarni xarakatga keltirib, zanjirda induksion EYuK ning paydo bo‘lishiga sabab bo‘ladi, degan gipotezani ol-a surdi. Demak, elektr zaryadi xosil qilgan elektr maydondan farqli щlaroq, magnit maydonning o‘zgarishi natijasida vujudga keladigan elektr maydonning kuch chiziqlari yopiq chiziq xarakteriga ega,ya’ni uyurmali maydondir. Maksvell elektromagnit induksiya xodisasini taxlil qilib, induksiya EYuK n i n g vujudga kelishiga sabab — uyurmali elektr maydonning vujudga kelishidadir, o‘tkazgich esa ikkinchi darajali rol o‘ynaydi va bu maydonni qayd kiluvchi asbobgina bo‘lib xizmat qiladi, degan fikrga keldi. S h u n i n g uchun xa.m, elektromagnit induksiya xodisasining asosiy axamiyati elektr tokini vujudga keltirishida emas, balki uyurmali elektr maydonning vujudga kelishini tasdiklaganligidadirDemak, magnit maydonning xar qanday o‘zgarishi uyurmali elektr maydonni vujudga keltiradi. Siljish toki. Agar magnit maydonning xar qanday o‘zgarishi uyurmali elektr maydonni vujudga keltirsa, unda teskarisi, ya’ni elektr maydonning o‘zgarishi uyurmali magnit maydonni vujudga keltirmaydimi, degan savol tugiladi. Maksvell bu savolga shunday javob beradi: elektr maydonning Kar qanday o‘zgarishi atrofda uyurmali magnit maydonni vujudga keltirishi kerak. O‘zgarayotgan elektr maydon va u vujudga keltiradigan magnit maydon o‘rtasida mikdoriy munosabatni o‘rnatish uchun Maksvell siljish toki tushunchasin i kiritdi. Uning fikriga ko‘ra magnit maydon mavjud bo‘lar ekan, uni vujudga keltiradigan tok xam mavjud bo‘lmogi darkor. Shuni ta’kidlash lozimki,siljish toki elektr toki ega bo‘ladigan fakat bittagina xususiyatga, ya’ni magnit maydon xosil kila olish xususiyatigagina egadir. U elektr toki ega bo‘lgan boshka birorta xam xususiyatga ega emas.

XULOSA
Maksvell magnit maydonning xar qanday o‘zgarishi elektr maydonni vujudga keltiradi va aynan ana shu elektr maydon xarakatsiz щtkazgich ichidagi elektronlarni xarakatga keltirib, zanjirda induksion EYuK ning paydo bo‘lishiga sabab bo‘ladi, degan gipotezani ol-a surdi. Demak, elektr zaryadi xosil qilgan elektr maydondan farqli щlaroq, magnit maydonning o‘zgarishi natijasida vujudga keladigan elektr maydonning kuch chiziqlari yopiq chiziq xarakteriga ega,ya’ni uyurmali maydondir. Maksvell elektromagnit induksiya xodisasini taxlil qilib, induksiya EYuK n i n g vujudga kelishiga sabab — uyurmali elektr maydonning vujudga kelishidadir, o‘tkazgich esa ikkinchi darajali rol o‘ynaydi va bu maydonni qayd kiluvchi asbobgina bo‘lib xizmat qiladi, degan fikrga keldi. S h u n i n g uchun xa.m, elektromagnit induksiya xodisasining asosiy axamiyati elektr tokini vujudga keltirishida emas, balki uyurmali elektr maydonning vujudga kelishini tasdiklaganligidadirDemak, magnit maydonning xar qanday o‘zgarishi uyurmali elektr maydonni vujudga keltiradi. Siljish toki. Agar magnit maydonning xar qanday o‘zgarishi uyurmali elektr maydonni vujudga keltirsa, unda teskarisi, ya’ni elektr maydonning o‘zgarishi uyurmali magnit maydonni vujudga keltirmaydimi, degan savol tugiladi. Maksvell bu savolga shunday javob beradi: elektr maydonning Kar qanday o‘zgarishi atrofda uyurmali magnit maydonni vujudga keltirishi kerak. O‘zgarayotgan elektr maydon va u vujudga keltiradigan magnit maydon o‘rtasida mikdoriy munosabatni o‘rnatish uchun Maksvell siljish toki tushunchasin i kiritdi. Uning fikriga ko‘ra magnit maydon mavjud bo‘lar ekan, uni vujudga keltiradigan tok xam mavjud bo‘lmogi darkor. Shuni ta’kidlash lozimki,siljish toki elektr toki ega bo‘ladigan fakat bittagina xususiyatga, ya’ni magnit maydon xosil kila olish xususiyatigagina egadir. U elektr toki ega bo‘lgan boshka birorta xam xususiyatga ega emas.