5. Электромагнитные волны

Из закона электромагнитной индукции следует, что если изменяется магнитный поток сквозь какую-либо поверхность, опирающуюся на металлический контур, в последнем возникает э.д.с. индукции и, как следствие, индукционный ток.

Максвелл предположил, что роль проводника в этом явлении состоит только в поставке свободных зарядов. Другими словами, проводник с током позволяет убедиться, что возникло электрическое поле, а само поле возникает при изменении магнитного потока и в отсутствии проводника. В каждой точке произвольно выбранного контура возникает электрическое поле, характеризующееся вектором электрической напряженности , если изменяется магнитный поток через мысленную поверхность, опирающуюся на этот контур (рис. 4.24). Это электрическое поле называется электродинамическим в отличии от изученного нами электростатического поля, создаваемого неподвижными зарядами. Линии вектора напряженности такого поля замкнуты, их направление определяется изменением наводящего магнитного поля по правилу левого винта. Следовательно, электродинамическое поле не потенциальное, а вихревое, подобно магнитному.

Это навело Максвелла на мысль о возможной равноправности полей: при изменении магнитного поля возникает электрическое, значит, при изменении электрического должно возникать магнитное поле. Если это так, то при неравномерном изменении магнитного поля возникает изменяющееся электрическое поле, которое, в свою очередь, изменяясь неравномерно, приведет к возникновению изменяющегося магнитного поля и т.д.

Так как магнитное поле создается электрическим током, любое появление магнитного поля есть следствие существования определенного тока (например, в магнетиках). Следовательно, переменное электрическое поле – причина появления магнитного поля – это электрический ток. Такой ток смещения течет в конденсаторе, в диэлектрике, попавшем в магнитное поле, даже в вакууме.

О бобщением экспериментальных данных (опыты Эрстеда, сила Ампера, закон Био – Савара – Лапласа, закон электромагнитной индукции) является предположение о взаимной перпендикулярности электрического и магнитного полей. Мы знаем, что направление электрической напряженности связано с изменением наводящего поля правилом левого винта. Предположим, что при изменении электрического поля возникает перпендикулярное ему магнитное поле, направленное по тому же правилу (рис. 4.25).

Тогда наведенное магнитное поле поддерживает изменение исходного магнитного поля, система полей «сама себя создает», источник изменяющегося поля становится ненужным. Наше предположение привело к нарушению одного из фундаментальных законов природы – закона сохранения энергии. Значит, если при изменении электрического поля действительно возникает магнитное поле, то его линии должны быть связаны с наводящим изменением электрического поля правилом правого винта (рис. 4.26). Теперь для поддержания системы полей необходима работа источника, что согласуется с законом сохранения и превращения энергии.

Электрическое и магнитное поле сцеплены друг с другом. При изменении магнитного поля наводится электродинамическое по правилу левого винта. При изменении электрического поля наводится магнитное поле по правилу правого винта. Наведенное магнитное поле ослабляет изменение магнитного поля в предыдущих точках и направлено параллельно этому изменению в последующих точках. То же самое надо сказать об электрическом поле. Совокупность изменяющихся электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитное поле.

Стянем все линии соответствующих контуров в точки. В пределе изменения таких полей будут в каждой точке пространства. По своей природе электромагнитное поле не остается локализованным в месте зарождения, а в виде поперечных электромагнитных волн распространяется по всевозможным направлениям в пространстве. Распространение электромагнитной волны связано с наведением электромагнитного поля в последующих точках и уничтожением его в предыдущих (пройденных) точках пространства. Векторы электрической и магнитной напряженности образуют с вектором скорости правовинтовую систему (рис. 4.27).

Из всех возможных электромагнитных волн мы рассмотрим незатухающие гармонические плоские волны. Генератор таких волн работает по гармоническому закону, в каждой точке волнового поля создаются гармонические колебания векторов и , фазы которых с течением времени переходят к последующим точкам. Мгновенное изображение электромагнитной волны дано на рисунке 4.28. С течением времени вся эта картина движется вправо со скоростью . Чем больше частота колебаний генератора, тем быстрее изменяются электрическое и магнитное поля и тем больше мощность излучения.

Таким образом, электромагнитная волна является волной поперечной. Согласно теории Максвелла, фазовая скорость распространения электромагнитных волн – величина конечная, она определяется электрическими и магнитными свойствами среды, в которой распространяется электромагнитная волна:

,

где и электрическая и магнитная постоянные, и относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

Если электромагнитные волны распространяются в вакууме, то и скорость распространения электромагнитной волны в вакууме:

.

Следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме действительно равна скорости распространения света в вакууме м/с.

Если скорость распространения электромагнитной волны в однородной среде, Т – ее период, а длина волны, то для вакуума .

Так как скорость волны зависит от и , то при переходе волны из одной среды в другую изменяются и , а частота колебаний остается прежней. Если волна переходит из вакуума в среду с диэлектрической проницаемостью и магнитной , то длина волны уменьшается:

,

где длина волны в вакууме.

Электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве, переносит энергию Е. Под энергией электромагнитного поля подразумевается сумма энергий электрического и магнитного полей: . Соответственно плотность энергии электромагнитного поля складывается из плотностей энергии электрического и магнитного полей:

.

Электромагнитная теория Максвелла была экспериментально подтверждена Герцем. Он сконструировал передатчик, представляющий собой два стержня с шариками, между которыми оставлен определенный зазор – диполь (вибратор) Герца (рис. 4.29). К шарикам прикладывается достаточное напряжение, при котором между ними проскакивает искра.

По современным исследованиям искра – высокочастотный разряд переменного тока, следовательно, в промежутке между шариками возникает быстропеременное электрическое поле. По Максвеллу, оно создает электромагнитное поле, интенсивность излучения которого будет наибольшей в направлении, перпендикулярном вектору . Приемник электромагнитных волн Герц сделал аналогичным, только расстояние между шариками было уменьшено. Диполь Герца представляет собой колебательный контур с распределенными параметрами.

Герц исследовал свойства электромагнитных волн – прямолинейность распространения, отражение, преломление и доказал их существование и предсказанные Максвеллом свойства.

В настоящее время радиоволны находят широкое применение для радиосвязи, радиовещания и телевидения; радиолокации, включая локацию планет солнечной системы; телемеханики, включая управление автоматическими станциями в космосе; исследования дальних космических объектов – радиозвезд и радиогалактик.