У 1864 році Джеймс Клерк Максвелл передбачив можливість існування в просторі електромагнітних хвиль. Це твердження він висунув грунтуючись на висновках, що випливають з аналізу всіх відомих на той час експериментальних даних щодо електрики і магнетизму.
Максвелл математично об'єднав закони електродинаміки, зв'язавши електричні і магнітні явища, і таким чином прийшов до висновку, що змінюються з плином часу електричне та магнітне поля породжують один одного.
Спочатку він зробив акцент на тому факті, що взаємозв'язок магнітних і електричних явищ не симетрична, і ввів термін «вихровий електричне поле», запропонувавши своє, по-справжньому нове пояснення явища електромагнітної індукції, відкритого Фарадеем: «всяка зміна магнітного поля призводить до появи в навколишньому просторі вихрового електричного поля, що має замкнуті силові лінії ».
Справедливим, на думку Максвелла, було і зворотне твердження, що «змінюється електричне поле породжує магнітне поле в навколишньому просторі», однак це твердження залишалося спочатку тільки гіпотезою.
Максвелл записав систему математичних рівнянь, які несуперечливо описали закони взаємних перетворень магнітного і електричного полів, ці рівняння стали згодом основними рівняннями електродинаміки, і стали називатися «рівняння Максвелла» на честь записав їх великого вченого. Гіпотеза Максвелла, з опорою на написання рівняння, здобула кілька надзвичайно важливих для науки і техніки висновків, які наведені нижче.
Електромагнітні хвилі дійсно існують
У просторі можуть існувати поперечні електромагнітні хвилі, що представляють собою розповсюджується з плином часу електромагнітне поле . На те що хвилі є поперечними, вказує той факт, що вектори магнітної індукції В і напруженості електричного поля Е взаємно перпендикулярні і обидва лежать в площині перпендикулярній напряму розповсюдження електромагнітної хвилі.
Електромагнітні хвилі поширюються з кінцевою швидкістю
Швидкість поширення електромагнітних хвиль в речовині конечна, і визначається вона електричними і магнітними властивостями речовини, за яким хвиля поширюється. Довжина синусоїдальної хвилі λ при цьому пов'язана зі швидкістю υ певним точним співвідношенням λ = υ / f, і залежить від частоти f коливань поля. Швидкість c електромагнітної хвилі в вакуумі - одна з фундаментальних фізичних констант - швидкість світла у вакуумі.
Оскільки Максвелл заявляв про кінцівки швидкості поширення електромагнітної хвилі, то це створило протиріччя між його гіпотезою і прийнятої в ті часи теорією дальнодействия, згідно з якою швидкість поширення хвиль повинна була б бути нескінченною. Теорію Максвелла назвали тому теорією близкодействия.
Електромагнітна хвиля - це електричне та магнітне поля, взаємно перетворюються один в одного
У електромагнітної хвилі одночасно відбувається перетворення електричного і магнітного полів друг у друга, отже об'ємні щільності магнітної енергії і електричної енергії рівні між собою. Отже справедливим є твердження, що модулі напруженості електричного поля і індукції магнітного поля пов'язані між собою в кожній точці простору наступним співвідношенням:
Електромагнітні хвилі переносять енергію
Електромагнітна хвиля в процесі свого поширення створює потік електромагнітної енергії, і якщо розглянути майданчик в площині перпендикулярній до напрямку поширення хвилі, то за короткий час через неї переміститься певну кількість електромагнітної енергії. Щільність потоку електромагнітної енергії - це кількість енергії, яку переносять електромагнітної хвилею через поверхню одиничної площі за одиницю часу. Підставивши значення швидкості, а також магнітної і електричної енергії, можна отримати вираз для щільності потоку через величини Е і В.
Вектор Пойнтінга - вектор потоку енергії хвилі
Оскільки напрям поширення енергії хвилі збігається з напрямком швидкості поширення хвилі, то потік енергії, що поширюється в електромагнітній хвилі можна задати за допомогою вектора, спрямованого так само, як і швидкість поширення хвилі. Цей вектор отримав назву «вектор Пойнтінга» - на честь британського фізика Генрі Пойнтінга, який розробив в 1884 році теорію поширення потоку енергії електромагнітного поля. Щільність потоку енергії хвилі вимірюється в Вт / кв.м.
Електромагнітні хвилі тиснуть на відображають або поглинаючі їх тіла
При дії електричного поля на речовину, в ньому з'являються невеликі струми, що представляють собою впорядкований рух електрично заряджених частинок. Ці струми в магнітному полі електромагнітної хвилі піддаються дії сили Ампера, яка спрямована вглиб речовини. Сила Ампера і породжує в результаті тиск.
Це явище пізніше, в 1900 році, було досліджено і підтверджено дослідним шляхом російським фізиком Петром Миколайовичем Лебедєвим, експериментальна робота якого стала дуже важливою для підтвердження теорії електромагнетизму Максвелла і її прийняття і затвердження в подальшому.
Той факт, що електромагнітна хвиля тисне, дозволяє судити про наявність у електромагнітного поля механічного імпульсу, який можна виразити для одиничного обсягу через об'ємну щільність електромагнітної енергії і швидкість поширення хвилі в вакуумі:
Оскільки імпульс пов'язаний з рухом маси, можна ввести і таке поняття як електромагнітна маса, і тоді для одиничного обсягу це співвідношення (відповідно до СТО) набуде характеру універсального закону природи, і виявиться справедливим для будь-яких матеріальних тіл, незалежно від форми матерії. А електромагнітне поле тоді те саме матеріального тіла - має енергію W, масою m, імпульсом p і кінцевою швидкістю поширення v. Тобто електромагнітне поле - це одна з форм реально існуючої в природі матерії.
Остаточне підтвердження теорії Максвелла
Вперше в 1888 році Генріх Герц підтвердив експериментально електромагнітну теорію Максвелла. Він дослідним шляхом довів реальність електромагнітних хвиль і вивчив такі їх властивості як переломлення і поглинання в різних середовищах, а також відображення хвиль від металевих поверхонь.
Герц виміряв довжину хвилі електромагнітного випромінювання , І показав, що швидкість поширення електромагнітної хвилі дорівнює швидкості світла. Експериментальна робота Герца стала останнім кроком до визнання електромагнітної теорії Максвелла. Сім років по тому, в 1895 році, російський фізик Олександр Степанович Попов застосував електромагнітні хвилі для створення бездротового зв'язку.
Електромагнітні хвилі збуджуються тільки прискорено рухомими зарядами
У ланцюгах постійного струму заряди рухаються з постійною швидкістю, і електромагнітні хвилі в цьому випадку в простір не випромінюються. Щоб мало місце випромінювання, необхідно скористатися антеною, в якій порушувалися б змінні струми, тобто струми, швидко змінюють свій напрямок.
У найпростішому вигляді для випромінювання електромагнітних хвиль придатний електричний диполь невеликого розміру, у якого б швидко змінювався в часі дипольний момент. Саме такий диполь називають сьогодні «диполь Герца», розмір якого в кілька разів менше довжини випромінюваної їм хвилі.
При випромінюванні диполем Герца, максимальний потік електромагнітної енергії припадає на площину, перпендикулярну осі диполя. Уздовж осі диполя випромінювання електромагнітної енергії не відбувається. У найважливіших експериментах Герца були використані елементарні диполі як для випромінювання, так і для прийому електромагнітних хвиль, так і було доведено існування електромагнітних хвиль.