2.6. Електромагнітні хвилі

Закон електромагнітної індукції в трактуванні Максвелла

Гіпотеза Максвелла. Змінюється електричне поле породжує магнітне поле

Ця гіпотеза була лише теоретичним припущенням, які не мають експериментального підтвердження, проте на її основі Максвеллові вдалося записати несуперечливу систему рівнянь, що описують взаємні перетворення електричного і магнітного полів, т. Е. Систему рівнянь електромагнітного поля (рівнянь Максвелла). З теорії Максвелла випливає ряд важливих висновків:

1. Існують електромагнітні хвилі, тобто розповсюджується в просторі і в часі електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі поперечні - вектори і перпендикулярні один одному і лежать в площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі (рис. 2.6.3).

2. Електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю

Тут ε і μ - діелектрична і магнітна проникності речовини, ε0 і μ0 - електрична і магнітна постійні: ε0 = 8,85419 · 10-12 Ф / м, μ0 = 1,25664 · 10-6 Гн / м.

Довжина хвилі λ в синусоїдальної хвилі свявзана зі швидкістю υ поширення хвилі співвідношенням λ = υ T = υ / f, де f - частота коливань електромагнітного поля, T = 1 / f.

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі (ε = μ = 1):

Швидкість c поширення електромагнітних хвиль в вакуумі є однією з фундаментальних фізичних констант.

Висновок Максвелла про кінцевої швидкості поширення електромагнітних хвиль знаходився в протиріччі до прийнятої в той час теорією дальнодействия, в якій швидкість поширення електричного і магнітного полів приймалася нескінченно великою. Тому теорію Максвелла називають теорією близкодействия.

3. У електромагнітної хвилі відбуваються взаємні перетворення електричного і магнітного полів. Ці процеси йдуть одночасно, і електричне та магнітне поля виступають як рівноправні «партнери». Тому об'ємні щільності електричної і магнітної енергії дорівнюють один одному: wе = WМ.

Звідси випливає, що в електромагнітної хвилі модулі індукції магнітного поля і напруженості електричного поля в кожній точці простору пов'язані співвідношенням

4. Електромагнітні хвилі переносять енергію. При поширенні хвиль виникає потік електромагнітної енергії. Якщо виділити майданчик S (рис. 2.6.3), орієнтовану перпендикулярно напрямку поширення хвилі, то за короткий час Δ t через майданчик протече енергія Δ Wем, рівна

Щільністю потоку або інтенсивністю I називають електромагнітну енергію, що переноситься хвилею за одиницю часу через поверхню одиничної площі:

Підставляючи сюди вирази для wе, WМ і υ, можна отримати:

Потік енергії в електромагнітної хвилі можна задавати за допомогою вектора напрямок якого збігається з напрямком поширення хвилі, а модуль дорівнює EB / μμ0. Цей вектор називають вектором Пойнтінга.

У синусоїдальної (гармонійної) хвилі в вакуумі середнє значення Iср щільності потоку електромагнітної енергії одно

Щільність потоку енергії в СІ вимірюється в ватах на квадратний метр (Вт / м2).

5. З теорії Максвелла випливає, що електромагнітні хвилі повинні чинити тиск на поглинає або відображає тіло. Тиск електромагнітного випромінювання пояснюється тим, що під дією електричного поля хвилі в речовині виникають слабкі струми, тобто впорядкований рух заряджених частинок. На ці струми діє сила Ампера з боку магнітного поля хвилі, спрямована в товщу речовини. Ця сила і створює результуючий тиск. Зазвичай тиск електромагнітного випромінювання мізерно мало. Так, наприклад, тиск сонячного випромінювання, що приходить на Землю, на абсолютно поглинаючу поверхню становить приблизно 5 мкПа. Перші експерименти по визначенню тиску випромінювання на відображають і поглинають тіла, які підтвердили висновок теорії Максвелла, були виконані П. М. Лебедєв в 1900 р Досліди Лебедєва мали величезне значення для утвердження електромагнітної теорії Максвелла.

Існування тиску електромагнітних хвиль дозволяє зробити висновок про те, що електромагнітного поля притаманний механічний імпульс. Імпульс електромагнітного поля в одиничному обсязі виражається співвідношенням

Для поля в одиничному обсязі

Звідси випливає:

Це співвідношення між масою і енергією електромагнітного поля в одиничному обсязі є універсальним законом природи. згідно спеціальної теорії відносності , То вона слушна для будь-яких тіл незалежно від їх природи і внутрішньої будови.

Таким чином, електромагнітне поле має всі ознаки матеріальних тел - енергією, кінцевою швидкістю поширення, імпульсом, масою. Це говорить про те, що електромагнітне поле є однією з форм існування матерії.

6. Перше експериментальне підтвердження електромагнітної теорії Максвелла було дано приблизно через 15 років після створення теорії в дослідах Г. Герца (1888 р.) Герц не тільки експериментально довів існування електромагнітних хвиль, але вперше почав вивчати їх властивості - поглинання і заломлення в різних середовищах, відображення від металевих поверхонь і т. П. Йому вдалося виміряти на досвіді довжину хвилі і швидкість поширення електромагнітних хвиль, яка виявилася рівною швидкості світла .

Досліди Герца зіграли вирішальну роль для доказу і визнання електромагнітної теорії Максвелла. Через сім років після цих дослідів електромагнітні хвилі знайшли застосування в бездротового зв'язку ( А. С. Попов , 1895 г.).

7. Електромагнітні хвилі можуть порушуватися лише прискорено рухомими зарядами. Ланцюги постійного струму, в яких носії заряду рухаються з постійною швидкістю, не є джерелом електромагнітних хвиль. У сучасній радіотехніці випромінювання електромагнітних хвиль проводиться за допомогою антен різних конструкцій, в яких порушуються швидкозмінних струми.

Найпростішою системою, яка випромінює електромагнітні хвилі, є невеликий за розмірами електричний диполь, дипольний момент p (t) якого швидко змінюється в часі.

Такий елементарний диполь називають диполем Герца. У радіотехніці диполь Герца еквівалентний невеликий антені, розмір якої багато менше довжини хвилі λ (рис. 2.6.4).

Елементарний диполь, здійснює гармонічні коливання

Мал. 2.6.5 дає уявлення про структуру електромагнітної хвилі, випромінюваної таким диполем.

Випромінювання елементарного диполя

Слід звернути увагу на те, що максимальний потік електромагнітної енергії випромінюється в площині, перпендикулярній осі диполя. Уздовж своєї осі диполь не випромінює енергії. Герц використовував елементарний диполь як випромінює і приймальні антен при експериментальному доведенні існування електромагнітних хвиль.