Электромагнитные волны (таблица которых будет приведена ниже) представляют собой возмущения магнитных и электрических полей, распределяющиеся в пространстве. Их существует несколько типов. Изучением этих возмущений занимается физика. Электромагнитные волны образуются из-за того, что электрическое переменное поле порождает магнитное, а оно, в свою очередь, порождает электрическое.
История исследований
Первые теории, которые можно считать самыми старыми вариантами гипотез об электромагнитных волнах, относятся как минимум к временам Гюйгенса. В тот период предположения достигли выраженного количественного развития. Гюйгенс в 1678-м году выпустил в некотором роде "набросок" теории - "Трактат о свете". В 1690-м он же издал другой замечательный труд. В нем была изложена качественная теория отражения, лучепреломления в том виде, в котором она и сегодня представлена в школьных учебниках ("Электромагнитные волны", 9 класс).
Вместе с этим был сформулирован принцип Гюйгенса. С его помощью появилась возможность изучать движение фронта волны. Этот принцип впоследствии нашел свое развитие в трудах Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля имел особую значимость в теории дифракции и волновой теории света.
В 1660-1670-е годы большой экспериментальный и теоретический вклад внесли в исследования Гук и Ньютон. Кто открыл электромагнитные волны? Кем были проведены опыты, доказывающие их существование? Какие существуют виды электромагнитных волн? Об этом далее.
Обоснование Максвелла
Прежде чем говорить о том, кто открыл электромагнитные волны, следует сказать, что первым ученым, который вообще предсказал их существование, стал Фарадей. Свою гипотезу он выдвинул в 1832-м году. Построением теории впоследствии занимался Максвелл. К 1865-му году он завершил эту работу. В результате Максвелл строго оформил теорию математически, обосновав существование рассматриваемых явлений. Им же была определена скорость распространения электромагнитных волн, совпадавшая с применявшимся тогда значением световой скорости. Это, в свою очередь, позволило ему обосновать гипотезу о том, что свет является одним из типов рассматриваемых излучений.
Экспериментальное обнаружение
Теория Максвелла нашла свое подтверждение в опытах Герца в 1888-м году. Здесь следует сказать, что немецкий физик проводил свои эксперименты, чтобы опровергнуть теорию, несмотря на ее математическое обоснование. Однако благодаря своим опытам Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны практически. Кроме того, в ходе своих экспериментов ученый выявил свойства и характеристики излучений.
Электромагнитные колебания и волны Герц получал за счет возбуждения серии импульсов быстропеременного потока в вибраторе при помощи источника повышенного напряжения. Высокочастотные потоки можно обнаружить при помощи контура. Частота колебаний при этом будет тем выше, чем выше его емкость и индуктивность. Но при этом большая частота не является гарантией интенсивного потока. Для проведения своих опытов Герц применил достаточно простое устройство, которое сегодня так и называют - "вибратор Герца". Приспособление представляет собой колебательный контур открытого типа.
Схема опыта Герца
Регистрация излучений осуществлялась при помощи приемного вибратора. Это устройство имело такую же конструкцию, что и излучающий прибор. Под влиянием электромагнитной волны электрического переменного поля в приемном устройстве происходило возбуждение токового колебания. Если в этом приборе его собственная частота и частота потока совпадали, то появлялся резонанс. В результате возмущения в приемном устройстве происходили с большей амплитудой. Обнаруживал их исследователь, наблюдая искорки между проводниками в небольшом промежутке.
Таким образом, Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны, доказал их способность хорошо отражаться от проводников. Им было практически обосновано образование стоячего излучения. Кроме того, Герц определил скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.
Изучение характеристик
Электромагнитные волны распространяются почти во всех средах. В пространстве, которое заполнено веществом, излучения могут в ряде случаев распределяться достаточно хорошо. Но при этом они несколько изменяют свое поведение.
Электромагнитные волны в вакууме определяются без затуханий. Они распределяются на любое, сколь угодно большое расстояние. К основным характеристикам волн относят поляризацию, частоту и длину. Описание свойств осуществляется в рамках электродинамики. Однако характеристиками излучений некоторых областей спектра занимаются более конкретные разделы физики. К ним, например, можно отнести оптику.
Исследованием жесткого электромагнитного излучения коротковолнового спектрального конца занимается раздел высоких энергий. С учетом современных представлений динамика перестает являться самостоятельной дисциплиной и объединяется со в одной теории.
Теории, применяемые при изучении свойств
Сегодня существуют различные методы, способствующие моделированию и исследованию проявлений и свойств колебаний. Наиболее фундаментальной из проверенных и завершенных теорий считается квантовая электродинамика. Из нее посредством тех или других упрощений становится возможным получить перечисленные ниже методики, которые широко используются в различных сферах.
Описание относительно низкочастотного излучения в макроскопической среде осуществляется при помощи классической электродинамики. Она основана на уравнениях Максвелла. При этом в прикладных применениях существуют упрощения. При оптическом изучении используется оптика. Волновая теория применяется в случаях, когда некоторые части оптической системы по размерам приближены к длинам волн. Квантовая оптика используется, когда существенными являются процессы рассеяния, поглощения фотонов.
Геометрическая оптическая теория - предельный случай, при котором допускается пренебрежение длиной волны. Также существует несколько прикладных и фундаментальных разделов. К ним, к примеру, относят астрофизику, биологию зрительного восприятия и фотосинтеза, фотохимию. Как классифицируются электромагнитные волны? Таблица, наглядно изображающая распределение на группы, представлена далее.
Классификация
Существуют частотные диапазоны электромагнитных волн. Между ними не существует резких переходов, иногда они перекрывают друг друга. Границы между ними достаточно условны. В связи с тем, что поток распределяется непрерывно, частота жестко связывается с длиной. Ниже представлены диапазоны электромагнитных волн.
Ультракороткие излучения принято разделять на микрометровые (субмиллиметровые), миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые. Если электромагнитного излучения меньше метра, то ее принято называть колебанием сверхвысокой частоты (СВЧ).
Виды электромагнитных волн
Выше представлены диапазоны электромагнитных волн. Какие существуют виды потоков? Группа включает в себя гамма- и рентгеновские лучи. При этом следует сказать, что ионизировать атомы способен и ультрафиолет, и даже видимый свет. Границы, в которых находятся гамма- и рентгеновские потоки, определяются весьма условно. В качестве общей ориентировки принимаются пределы 20 эВ - 0.1 Мэв. Гамма-потоки в узком смысле испускаются ядром, рентгеновские - электронной атомной оболочкой в процессе выбивания с низколежащих орбит электронов. Однако данная классификация неприменима к жестким излучениям, генерируемым без участия ядер и атомов.
Рентгеновские потоки формируются при замедлении заряженных быстрых частиц (протонов, электронов и прочих) и вследствие процессов, которые происходят внутри атомных электронных оболочек. Гамма-колебания возникают в результате процессов внутри ядер атомов и при превращении элементарных частиц.
Радиопотоки
За счет большого значения длин рассмотрение этих волн допускается осуществлять, не учитывая атомистическое строение среды. В качестве исключения выступают лишь самые короткие потоки, которые примыкают к инфракрасной области спектра. В радиодиапазоне квантовые свойства колебаний проявляются достаточно слабо. Тем не менее их необходимо учитывать, например, при анализе молекулярных стандартов времени и частоты во время охлаждения аппаратуры до температуры в несколько кельвинов.
Квантовые свойства принимаются во внимание и при описании генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Радиопоток формируется во время движения переменного тока по проводникам соответствующей частоты. А проходящая электромагнитная волна в пространстве возбуждает соответствующий ей. Данное свойство применяется при конструировании антенн в радиотехнике.
Видимые потоки
Ультрафиолетовое и инфракрасное видимое излучение составляет в широком смысле слова так называемый оптический участок спектра. Выделение этой области обуславливается не только близостью соответствующих зон, но и аналогичностью приборов, используемых при исследовании и разработанных преимущественно во время изучения видимого света. К ним, в частности, относятся зеркала и линзы для фокусирования излучений, дифракционные решетки, призмы и прочие.
Частоты оптических волн сравнимы с таковыми у молекул и атомов, а длины их - с межмолекулярными расстояниями и молекулярными размерами. Поэтому существенными в этой области становятся явления, которые обусловлены атомистической структурой вещества. По той же причине свет вместе с волновыми обладает и квантовыми свойствами.
Возникновение оптических потоков
Самым известным источником является Солнце. Поверхность звезды (фотосфера) имеет температуру 6000° по Кельвину и излучает ярко-белый свет. Наивысшее значение непрерывного спектра располагается в "зеленой" зоне - 550 нм. Там же находится максимум зрительной чувствительности. Колебания оптического диапазона возникают при нагревании тел. Инфракрасные потоки поэтому также именуют тепловыми.
Чем сильнее происходит нагревание тела, тем выше частота, где располагается максимум спектра. При определенном повышении температуры наблюдается каление (свечение в видимом диапазоне). При этом сначала появляется красный цвет, затем желтый и далее. Создание и регистрация оптических потоков может происходить в биологических и химических реакциях, одна из которых применяется в фотографии. Для большинства существ, живущих на Земле, в качестве источника энергии выступает фотосинтез. Эта биологическая реакция протекает в растениях под влиянием оптического солнечного излучения.
Особенности электромагнитных волн
Свойства среды и источник оказывают влияние на характеристики потоков. Так устанавливается, в частности, временная зависимость полей, которая определяет тип потока. К примеру, при изменении расстояния от вибратора (при увеличении) радиус кривизны становится больше. В результате образуется плоская электромагнитная волна. Взаимодействие с веществом также происходит по-разному.
Процессы поглощения и излучения потоков, как правило, можно описывать при помощи классических электродинамических соотношений. Для волн оптической области и для жестких лучей тем более следует принимать во внимание их квантовую природу.
Источники потоков
Несмотря на физическую разницу, везде - в радиоактивном веществе, телевизионном передатчике, лампе накаливания - электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. Существует два основных типа источников: микроскопические и макроскопические. В первых происходит скачкообразный переход заряженных частиц с одного на другой уровень внутри молекул либо атомов.
Микроскопические источники испускают рентгеновское, гамма, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое, а в ряде случаев и длинноволновое излучение. В качестве примера последнего можно привести линию спектра водорода, которая соответствует волне в 21 см. Это явление имеет особое значение в радиоастрономии.
Источники макроскопического типа представляют собой излучатели, в которых свободными электронами проводников совершаются периодические синхронные колебания. В системах данной категории происходит генерация потоков от миллиметровых до самых длинных (в линиях электропередач).
Структура и сила потоков
С ускорением и изменяющиеся периодически токи оказывают воздействие друг на друга с определенными силами. Направление и их величина находятся в зависимости от таких факторов, как размеры и конфигурация области, в которой содержатся токи и заряды, их относительное направление и величина. Существенное влияние оказывают и электрические характеристики конкретной среды, а также изменения концентрации зарядов и распределения токов источника.
В связи с общей сложностью постановки задачи представить закон сил в виде единой формулы нельзя. Структура, называемая электромагнитным полем и рассматриваемая при необходимости в качестве математического объекта, определяется распределением зарядов и токов. Оно, в свою очередь, создается заданным источником при учете граничных условий. Условия определяются формой зоны взаимодействия и характеристиками материала. Если речь ведется о неограниченном пространстве, указанные обстоятельства дополняются. В качестве особого дополнительного условия в таких случаях выступает условие излучения. За счет него гарантируется "правильность" поведения поля на бесконечности.
Хронология изучения
Ломоносова в некоторых своих положениях предвосхищает отдельные постулаты теории электромагнитного поля: "коловратное" (вращательное) движение частиц, "зыблющаяся" (волновая) теория света, ее общность с природой электричества и т. д. Инфракрасные потоки были обнаружены в 1800 году Гершелем (английским ученым), а в следующем, 1801-м, Риттером был описан ультрафиолет. Излучение более короткого, нежели ультрафиолетовое, диапазона было открыто Рентгеном в 1895-м году, 8 ноября. Впоследствии оно получило название рентгеновского.
Влияние электромагнитных волн изучалось многими учеными. Однако первым, кто исследовал возможности потоков, сферу их применения, стал Наркевич-Иодко (белорусский научный деятель). Он изучил свойства потоков применительно к практической медицине. Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900-м году. В этот же период Планк проводил теоретические исследования свойств черного тела. В процессе изучения им была открыта квантовость процесса. Его труд стал началом развития Впоследствии было опубликовано несколько работ Планка и Эйнштейна. Их исследования привели к формированию такого понятия, как фотон. Это, в свою очередь, положило начало созданию квантовой теории электромагнитных потоков. Ее развитие продолжилось в трудах ведущих научных деятелей ХХ столетия.
Дальнейшие исследования и работы по квантовой теории электромагнитного излучения и взаимодействия его с веществом привели в итоге к образованию квантовой электродинамики в том виде, в котором она существует и сегодня. Среди выдающихся ученых, занимавшихся изучением данного вопроса, следует назвать, кроме Эйнштейна и Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонагу, Швингера, Фейнмана.
Заключение
Значение физики в современном мире достаточно велико. Практически все, что применяется сегодня в жизни человека, появилось благодаря практическому использованию исследований великих ученых. Открытие электромагнитных волн и их изучение, в частности, привели к созданию обычных, а впоследствии и мобильных телефонов, радиопередатчиков. Особое значение практическое применение таких теоретических знаний имеет в области медицины, промышленности, техники.
Такое широкое использование объясняется количественным характером науки. Все физические эксперименты опираются на измерения, сравнение свойств изучаемых явлений с имеющимися эталонами. Именно для этой цели в рамках дисциплины развит комплекс измерительных приборов и единиц. Ряд закономерностей является общим для всех существующих материальных систем. Так, например, законы сохранения энергии считаются общими физическими законами.
Науку в целом называют во многих случаях фундаментальной. Это связано, прежде всего, с тем, что прочие дисциплины дают описания, которые, в свою очередь, подчиняются законам физики. Так, в химии изучаются атомы, вещества, образованные из них, и превращения. Но химические свойства тел определяются физическими характеристиками молекул и атомов. Эти свойства описывают такие разделы физики, как электромагнетизм, термодинамика и прочие.
М. Фарадей ввел понятие поля:
вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,
вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.
В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.
Рисунок 2.7 - Вихревое электрическое поле
где,
- вектор напряженности электрического
поля,
- вектор магнитной индукции.
Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.
В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле.
Возникла идея о едином электромагнитном поле.
Рисунок 2.8 - Единое электромагнитное поле.
Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.
Электромагнитное поле - это особая форма материи - совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:
Проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;
Распространяется с большой, но конечной скоростью;
Существует независимо от нашей воли и желаний.
При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).
Главное условие возникновения электромагнитной волны - ускоренное движение электрических зарядов.
Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.
Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380...780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.
Рисунок 2.9 - Спектр электромагнитных волн
Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн - провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.
Ра́дио (лат. radio - излучаю, испускаю лучи ← radius - луч) - разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.
Радиоволны (от радио...), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6×10 12 Гц).
Радиоволны - это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м).
λ=300/f, гдеf - частота (МГц)
Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании - радиоволны.
«Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор - устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты - радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10- 11 м.
Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода.
Электромагнитная
волна
–
распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле (колебания
векторов
).
Вблизи заряда электрическое и магнитное
поля изменяются со сдвигом фаз p/2.
Рисунок 2.10 - Единое электромагнитное поле.
На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно.
Рисунок 2.11 - Синфазное изменение электрического и магнитного полей.
Электромагнитная
волна поперечна
.
Направление
скорости электромагнитной волны
совпадает с направлением движения
правого винта при повороте ручки
буравчика вектора
к вектору
.
Рисунок 2.12 - Электромагнитная волна.
Причем
в электромагнитной волне выполняется
соотношение
,
где с – скорость света в вакууме.
Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.
Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты . Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты.
Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).
Закрытый
колебательный контур электромагнитных
волн не излучает: вся энергия электрического
поля конденсатора переходит в энергию
магнитного поля катушки. Частота
колебаний определяется параметрами
колебательного контура:
.
Рисунок 2.13 - Колебательный контур.
Для
увеличения частоты необходимо уменьшить
L и C, т.е. развернуть катушку до прямого
провода и, т.к.
,
уменьшить площадь пластин и развести
их на максимальное расстояние. Отсюда
видно, что мы получим, по существу, прямой
проводник.
Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник.
Рисунок 2.14 - Вибратор Герца.
Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры.
Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3 . 10 8 м/с.
Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн.
Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света.
Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн.
С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода.
Таким образом, можно определить, что радиоволна - это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц.
Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т . Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т . За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние
λ = υТ (1)
Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из (1), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f = 1 / T , то длина волны λ = υ / f .
Радиолиния включает в себя следующие основные части:
Передатчик
Приемник
Среда, в которой распространяются радиоволны.
Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии.
Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).
Многие закономерности волновых процессов имеют универсальный характер и в равной мере справедливы для волн различной природы: механических волн в упругой среде, волн на поверхности воды, в натянутой струне и т. д. Не являются исключением и электромагнитные волны, представляющие собой процесс распространения колебаний электромагнитного поля. Но в отличие от других видов волн, распространение которых происходит в какой-то материальной среде, электромагнитные волны могут распространяться в пустоте: никакой материальной среды для распространения электрического и магнитного полей не требуется. Однако электромагнитные волны могут существовать не только в вакууме, но и в веществе.
Предсказание электромагнитных волн. Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом в результате анализа предложенной им системы уравнений, описывающих электромагнитное поле. Максвелл показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников - зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью см/с, в которых векторы электрического и магнитного полей в каждый момент времени в каждой точке пространства перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волн.
Экспериментально электромагнитные волны были открыты и изучены Герцем только спустя 10 лет после смерти Максвелла.
Открытый вибратор. Чтобы понять, каким образом можно получить электромагнитные волны на опыте, рассмотрим «открытый» колебательный контур, у которого обкладки конденсатора раздвинуты (рис. 176) и поэтому электрическое поле занимает большую область пространства. При увеличении расстояния между обкладками емкость С конденсатора убывает и в соответствии с формулой Томсона возрастает частота собственных колебаний. Если еще и катушку индуктивности заменить отрезком провода, то уменьшится индуктивность а частота собственных колебаний возрастет еще больше. При этом не только электрическое, но и магнитное поле, которое раньше было заключено внутри катушки, теперь займет большую область пространства, охватывающую этот провод.
Увеличение частоты колебаний в контуре, как и увеличение его линейных размеров, приводит к тому, что период собственных
колебаний становится сравнимым со временем распространения электромагнитного поля вдоль всего контура. Это означает, что процессы собственных электромагнитных колебаний в таком открытом контуре уже нельзя считать квазистационарными.
Рис. 176. Переход от колебательного контура к открытому вибратору
Сила тока в разных его местах в один и тот же момент времени разная: на концах контура она всегда равна нулю, а в середине (там, где прежде была катушка) она осциллирует с максимальной амплитудой.
В предельном случае, когда колебательный контур превратился просто в отрезок прямого провода, распределение силы тока вдоль контура в некоторый момент времени показано на рис. 177а. В тот момент, когда сила тока в таком вибраторе максимальна, охватывающее его магнитное поле также достигает максимума, а электрическое поле вблизи вибратора отсутствует. Через четверть периода обращается в нуль сила тока, а вместе с ней и магнитное поле вблизи вибратора; электрические заряды сосредоточиваются вблизи концов вибратора, а их распределение имеет вид, показанный на рис. 1776. Электрическое поле вблизи вибратора в этот момент максимально.
Рис. 177. Распределение вдоль открытого вибратора силы тока в момент, когда она максимальна (а), и распределение зарядов спустя четверть периода (б)
Эти колебания заряда и тока, т. е. электромагнитные колебания в открытом вибраторе, вполне аналогичны механическим колебаниям, которые могут происходить в пружине осциллятора, если убрать присоединенное к ней массивное тело. В этом случае придется учитывать массу отдельных частей пружины и рассматривать ее как распределенную систему, у которой каждый элемент обладает как упругими, так и инертными свойствами. В случае открытого электромагнитного вибратора каждый его элемент также одновременно обладает и индуктивностью, и емкостью.
Электрическое и магнитное поля вибратора. Неквазистационарный характер колебаний в открытом вибраторе приводит к тому, что создаваемые отдельными его участками поля на некотором расстоянии от вибратора уже не компенсируют друг друга, как это имеет место для «закрытого» колебательного контура с сосредоточенными параметрами, где колебания квазистационарны, электрическое поле целиком сосредоточено внутри конденсатора, а магнитное - внутри катушки. Из-за такого пространственного разделения электрического и магнитного полей они непосредственно не связаны друг с другом: их взаимное превращение обусловлено только током - переносом заряда по контуру.
У открытого вибратора, где электрическое и магнитное поля перекрываются в пространстве, происходит их взаимное влияние: изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. В результате оказывается возможным существование таких «самоподдерживающихся» и распространяющихся в свободном пространстве полей на большом расстоянии от вибратора. Это и есть излучаемые вибратором электромагнитные волны.
Опыты Герца. Вибратор, с помощью которого Г. Герцем в 1888 г. впервые были экспериментально получены электромагнитные волны, представлял собой прямолинейный проводник с небольшим воздушным промежутком посредине (рис. 178а). Благодаря такому промежутку можно было сообщить двум половинам вибратора значительные заряды. Когда разность потенциалов достигала определенного предельного значения, в воздушном зазоре возникал пробой (проскакивала искра) и электрические заряды через ионизированный воздух могли перетекать с одной половины вибратора на другую. Б открытом контуре возникали электромагнитные колебания. Чтобы быстропеременные токи существовали только в вибраторе и не замыкались через источник питания, между вибратором и источником включались дроссели (см. рис. 178а).
Рис. 178. Вибратор Герца
Высокочастотные колебания в вибраторе существуют, пока искра замыкает промежуток между его половинами. Затухание таких колебаний в вибраторе происходит в основном не за счет джоулевых потерь на сопротивлении (как в закрытом колебательном контуре), а за счет излучения электромагнитных волн.
Для обнаружения электромагнитных волн Герц применял второй (приемный) вибратор (рис. 1786). Под действием переменного электрического поля приходящей от излучателя волны электроны в приемном вибраторе совершают вынужденные колебания, т. е. в вибраторе возбуждается быстропеременный ток. Если размеры приемного вибратора такие же, как и у излучающего, то частоты собственных электромагнитных колебаний в них совпадают и вынужденные колебания в приемном вибраторе достигают заметной величины вследствие резонанса. Эти колебания Герц обнаруживал по проскакиванию искры в микроскопическом зазоре в середине приемного вибратора или по свечению миниатюрной газоразрядной трубки Г, включенной между половинами вибратора.
Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства - поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.
Совпадение скорости электромагнитных волн с измеренной задолго до их открытия скоростью света послужило отправным пунктом для отождествления света с электромагнитными волнами и создания электромагнитной теории света.
Электромагнитная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле волны не связано с источником. Этим электромагнитная волна отличается от статических электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника.
Механизм излучения электромагнитных волн. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Понять, каким образом поперечное электрическое поле волны возникает из радиального кулоновского поля точечного заряда, можно с помощью следующего простого рассуждения, предложенного Дж. Томсоном.
Рис. 179. Поле неподвижного точечного заряда
Рассмотрим электрическое поле, создаваемое точечным зарядом Если заряд покоится, то его электростатическое поле изображается радиальными силовыми линиями, выходящими из заряда (рис. 179). Пусть в момент времени заряд под действием какой-то внешней силы начинает двигаться с ускорением а, а спустя некоторое время действие этой силы прекращается, так что дальше заряд движется равномерно со скоростью График скорости движения заряда показан на рис. 180.
Представим себе картину линий электрического поля, создаваемого этим зарядом, спустя большой промежуток времени Поскольку электрическое поле распространяется со скоростью света с,
то до точек, лежащих за пределами сферы радиуса изменение электрического поля, вызванное движением заряда, дойти не могло: за пределами этой сферы поле такое же, каким оно было при неподвижном заряде (рис. 181). Напряженность этого поля (в гауссовой системе единиц) равна
Все изменение электрического поля, вызванное ускоренным движением заряда в течение времени в момент времени находится внутри тонкого шарового слоя толщины наружный радиус которого равен а внутренний - Это показано на рис. 181. Внутри сферы радиуса электрическое поле - это поле равномерно движущегося заряда.
Рис. 180. График скорости заряда
Рис. 181. Линии напряженности электрического поля заряда, движущегося согласно графику на рис. 180
Рис. 182. К выводу формулы для напряженности поля излучения ускоренно движущегося заряда
Если скорость заряда много меньше скорости света с, то это поле в момент времени совпадает с полем неподвижного точечного заряда находящегося на расстоянии от начала (рис. 181): поле медленно движущегося с постоянной скоростью заряда перемещается вместе с ним, а пройденное зарядом за время расстояние, как видно из рис. 180, можно считать равным если г»т.
Картину электрического поля внутри шарового слоя легко найти, учитывая непрерывность силовых линий. Для этого нужно соединить соответствующие радиальные силовые линии (рис. 181). Вызванный ускоренным движением заряда излом силовых линий «убегает» от заряда со скоростью с. Излом на силовых линиях между
сферами это и есть интересующее нас поле излучения, распространяющееся со скоростью с.
Чтобы найти поле излучения, рассмотрим одну из линий напряженности, составляющую некоторый угол с направлением движения заряда (рис. 182). Разложим вектор напряженности электрического поля в изломе Е на две составляющие: радиальную и поперечную Радиальная составляющая - это напряженность электростатического поля, создаваемого зарядом на расстоянии от него:
Поперечная составляющая - это напряженность электрического поля в волне, излученной зарядом при ускоренном движении. Так как эта волна бежит по радиусу, то вектор перпендикулярен направлению распространения волны. Из рис. 182 видно, что
Подставляя сюда из (2), находим
Учитывая, что а отношение есть ускорение а, с которым двигался заряд в течение промежутка времени от 0 до перепишем это выражение в виде
Прежде всего обратим внимание на то, что напряженность электрического поля волны убывает обратно пропорционально расстоянию от центра, в отличие от напряженности электростатического поля которая пропорциональна Такой зависимости от расстояния и следовало ожидать, если принять во внимание закон сохранения энергии. Так как при распространении волны в пустоте поглощения энергии не происходит, то количество энергии, прошедшее через сферу любого радиуса, одинаково. Поскольку площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, то поток энергии через единицу ее поверхности должен быть обратно пропорционален квадрату радиуса. Учитывая, что плотность энергии электрического поля волны равна приходим к выводу, что
Далее отметим, что напряженность поля волны в формуле (4) в момент времени зависит от ускорения заряда а в момент времени волна, излученная в момент достигает точки, находящейся на расстоянии спустя время, равное
Излучение осциллирующего заряда. Предположим теперь, что заряд все время движется вдоль прямой с некоторым переменным ускорением вблизи начала координат, например совершает гармонические колебания. Тоща он будет излучать электромагнитные волны непрерывно. Напряженность электрического поля волны в точке, находящейся на расстоянии от начала координат, по-прежнему определяется формулой (4), причем поле в момент времени зависит от ускорения заряда а в более ранний момент
Пусть движение заряда представляет собой гармоническое колебание вблизи начала координат с некоторой амплитудой А и частотой со:
Ускорение заряда при таком движении дается выражением
Подставляя ускорение заряда в формулу (5), получаем
Изменение электрического поля в любой точке при прохождении такой волны представляет собой гармоническое колебание с частотой , т. е. осциллирующий заряд излучает монохроматическую волну. Разумеется, формула (8) справедлива на расстояниях больших по сравнению с амплитудой колебаний заряда А.
Энергия электромагнитной волны. Плотность энергии электрического поля монохроматической волны, излучаемой зарядом, можно найти с помощью формулы (8):
Плотность энергии пропорциональна квадрату амплитуды колебаний заряда и четвертой степени частоты.
Любое колебание связано с периодическими переходами энергии из одного вида в другой и обратно. Например, колебания механического осциллятора сопровождаются взаимными превращениями кинетической энергии и потенциальной энергии упругой деформации. При изучении электромагнитных колебаний в контуре мы видели, что аналогом потенциальной энергии механического осциллятора является энергия электрического поля в конденсаторе, а аналогом кинетической энергии - энергия магнитного поля катушки. Эта аналогия справедлива не только для локализованных колебаний, но и для волновых процессов.
В монохроматической волне, бегущей в упругой среде, плотности кинетической и потенциальной энергий в каждой точке совершают гармоническое колебание с удвоенной частотой, причем так, что их значения совпадают в любой момент времени. Так же и в бегущей монохроматической электромагнитной волне: плотности энергии электрического и магнитного полей, совершая гармоническое колебание с частотой равны друг другу в каждой точке в любой момент времени.
Плотность энергии магнитного поля выражается через индукцию В следующим образом:
Приравнивая плотности энергии электрического и магнитного полей в бегущей электромагнитной волне, убеждаемся, что индукция магнитного поля в такой волне зависит от координат и времени точно так же, как напряженность электрического поля. Другими словами, в бегущей волне индукция магнитного поля и напряженность электрического поля равны друг другу в любой точке в любой момент времени (в гауссовой системе единиц):
Поток энергии электромагнитной волны. Полная плотность энергии электромагнитного поля в бегущей волне вдвое больше плотности энергии электрического поля (9). Плотность потока энергии у, переносимой волной, равна произведению плотности энергии на скорость распространения волны . С помощью формулы (9) можно увидеть, что поток энергии через любую поверхность осциллирует с частотой Для нахождения среднего значения плотности потока энергии необходимо усреднить по времени выражение (9). Так как среднее значение равно 1/2, то для получаем
Рис. 183. Угловое распределение энергии» излучаемой осциллирующим зарядом
Плотность потока энергии в волне зависит от направления: в том направлении, по которому происходят колебания заряда, энергия вовсе не излучается Наибольшее количество энергии излучается в плоскости, перпендикулярной этому направлению Угловое распределение излучаемой осциллирующим зарядом энергии показано на рис. 183. Заряд совершает колебания вдоль оси Из начала координат проводятся отрезки, длина которых пропорциональна излучаемой в данном
направлении энергии, т. е. На диаграмме показана линия, соединяющая концы этих отрезков.
Распределение энергии по направлениям в пространстве характеризуется поверхностью, которая получается вращением диаграммы вокруг оси
Поляризация электромагнитных волн. Волна, порождаемая вибратором при гармонических колебаниях, называется монохроматической. Монохроматическая волна характеризуется определенной частотой со и длиной волны X. Длина волны и частота связаны через скорость распространения волны с:
Электромагнитная волна в вакууме является поперечной: вектор напряженности электромагнитного поля волны, как это видно из приведенных выше рассуждений, перпендикулярен направлению распространения волны. Проведем через точку наблюдения Р на рис. 184 сферу с центром в начале координат, около которого вдоль оси совершает колебания излучающий заряд. Проведем на ней параллели и меридианы. Тогда вектор Е поля волны будет направлен по касательной к меридиану, а вектор В перпендикулярен вектору Е и направлен по касательной к параллели.
Чтобы убедиться в этом, рассмотрим подробнее взаимосвязь электрического и магнитного полей в бегущей волне. Эти поля после излучения волны уже не связаны с источником. При изменении электрического поля волны возникает магнитное поле, силовые линии которого, как мы видели при изучении тока смещения, перпендикулярны силовым линиям электрического поля. Это переменное магнитное поле, изменяясь, в свою очередь приводит к появлению вихревого электрического поля, которое перпендикулярно породившему его магнитному полю. Таким образом, при распространении волны электрическое и магнитное поля поддерживают друг друга, оставаясь все время взаимно перпендикулярными. Так как в бегущей волне изменение электрического и магнитного полей происходит в фазе друг с другом, то мгновенный «портрет» волны (векторы Е и В в разных точках линии вдоль направления распространения) имеет вид, показанный на рис. 185. Такая волна называется линейно поляризованной. Совершающий гармоническое колебание заряд излучает по всем направлениям линейно поляризованные волны. В бегущей по любому направлению линейно поляризованной волне вектор Е все время находится в одной плоскости.
Так как в линейном электромагнитном вибраторе заряды совершают именно такое осциллирующее движение, то излучаемая вибратором электромагнитная волна поляризована линейно. В этом легко убедиться на опыте, изменяя ориентацию приемного вибратора относительно излучающего.
Рис. 185. Электрическое и магнитное поля в бегущей линейно поляризованной волне
Сигнал имеет наибольшую величину, когда приемный вибратор параллелен излучающему (см. рис. 178). Если приемный вибратор повернуть перпендикулярно излучающему, то сигнал пропадает. Электрические колебания в приемном вибраторе могут появиться только благодаря составляющей электрического поля волны, направленной вдоль вибратора. Поэтому такой опыт свидетельствует о том, что электрическое поле в волне параллельно излучающему вибратору.
Возможны и другие виды поляризации поперечных электромагнитных волн. Если, например, вектор Е в некоторой точке при прохождении волны равномерно вращается вокруг направления распространения, оставаясь неизменным по модулю, то волна называется циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу. Мгновенный «портрет» электрического поля такой электромагнитной волны показан на рис. 186.
Рис. 186. Электрическое поле в бегущей циркулярно поляризованной волне
Волну круговой поляризации можно получить при сложении двух распространяющихся в одном направлении линейно поляризованных волн одинаковой частоты и амплитуды, векторы электрического поля в которых взаимно перпендикулярны. В каждой из волн вектор электрического поля в каждой точке совершает гармоническое колебание. Чтобы при сложении таких взаимно перпендикулярных колебаний получилось вращение результирующего вектора, необходим сдвиг фаз на Другими словами, складываемые линейно поляризованные волны должны быть сдвинуты на четверть длины волны одна относительно другой.
Импульс волны и давление света. Наряду с энергией электромагнитная волна обладает и импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает. Отсюда следует, что при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Объяснить происхождение давления волны и найти величину этого давления можно следующим образом.
Направлены по одной прямой. Тогда поглощаемая зарядом мощность Р равна
Будем считать, что вся энергия падающей волны поглощается преградой. Так как на единицу площади поверхности преграды в единицу времени волна приносит энергию то оказываемое волной при нормальном падении давление равно плотности энергии волны Сила давления поглощаемой электромагнитной волны сообщает преграде в единицу времени импульс, равный согласно формуле (15) поглощенной энергии, деленной на скорость света с. А это означает, что поглощенная электромагнитная волна обладала импульсом, который равен энергии, деленной на скорость света.
Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым в 1900 г. в исключительно тонких опытах.
Чем отличаются квазистационарные электромагнитные колебания в закрытом колебательном контуре от высокочастотных колебаний в открытом вибраторе? Приведите механическую аналогию.
Поясните, почему при электромагнитных квазистационарных колебаниях в закрытом контуре не происходит излучение электромагнитных волн. Почему излучение происходит при электромагнитных колебаниях в открытом вибраторе?
Опишите и объясните опыты Герца по возбуждению и обнаружению электромагнитных волн. Какую роль играет искровой промежуток в передающем и приемном вибраторах?
Поясните, каким образом при ускоренном движении электрического заряда продольное электростатическое поле превращается в поперечное электрическое поле излучаемой им электромагнитной волны.
Исходя из энергетических соображений, покажите, что напряженность электрического поля сферической волны, излучаемой вибратором, убывает как 1 1г (в отличие от для электростатического поля).
Что такое монохроматическая электромагнитная волна? Что такое длина волны? Как она связана с частотой? В чем заключается свойство поперечности электромагнитных волн?
Что называется поляризацией электромагнитной волны? Какие виды поляризации вам известны?
Какие доводы вы можете привести для обоснования того, что электромагнитная волна обладает импульсом?
Объясните роль силы Лоренца в возникновении силы давления электромагнитной волны на преграду.
Мало кто знает, что излучение электромагнитной природы пронизывает всю Вселенную. Электромагнитные волны возникают при его распространении в пространстве. В зависимости от частоты колебания волн происходит условное их разделение на видимый свет, радиочастотный спектр, инфракрасные диапазоны и пр. Практическое существование электромагнитных волн было доказано опытным путем в 1880 году немецким ученым Г. Герцем (кстати, единица измерения частоты названа в его честь).
Из курса физики известно, что представляет собой особый вид материи. Несмотря на то, что зрением можно увидеть лишь небольшую его часть, его влияние на материальный мир огромно. Электромагнитные волны являются последовательным распространением в пространстве взаимодействующих векторов напряженности магнитного и электрического полей. Впрочем, слово «распространение» в данном случае не совсем корректно: речь идет, скорее, о волнообразном возмущении пространства. Причиной, генерирующей электромагнитные волны, является появление в пространстве изменяющегося с течением времени электрического поля. А, как известно, существует прямая связь между электрическими и магнитными полями. Достаточно вспомнить правило, согласно которому вокруг любого проводника с током присутствует магнитное поле. Частица, на которую действуют электромагнитные волны, начинает колебаться, а раз есть движение, значит, существует излучение энергии. Электрическое поле со передается соседней частице, находящейся в покое, в результате вновь генерируется поле электрической природы. А так как поля взаимосвязаны, следом появляется магнитное. Процесс распространяется лавинообразно. При этом реального движения нет, а есть колебания частиц.
О возможности практического использования такого физики задумывались уже давно. В современном мире энергия электромагнитных волн столь широко применяется, что многие этого даже не замечают, принимая это как должное. Яркий пример - радиоволны, без которых была бы невозможна работа телевизоров и мобильных телефонов.
Процесс происходит следующим образом: на металлический проводник особой формы (антенну) постоянно передается модулированный Благодаря свойствам электрического тока вокруг проводника возникает электрическое, а следом и магнитное поле, в результате чего осуществляется излучение электромагнитных волн. Так как модулируется, они несут определенный порядок, закодированную информацию. Чтобы уловить нужные частоты, у адресата устанавливается приемная антенна специальной конструкции. Она позволяет отобрать из общего электромагнитного фона нужные частоты. Попав на металлический приемник, волны частично преобразовываются в электрический ток исходной модуляции. Далее они поступают на усиливающий блок и управляют работой устройства (передвигают диффузор динамика, поворачивают электроды в экранах телевизоров).
Ток, полученный из электромагнитных волн, можно легко увидеть. Для этого достаточно оголенной жилой кабеля, идущего от антенны к приемнику, коснуться общей массы (батареи отопления, В этот момент между массой и жилой проскакивает искра - это и есть проявление генерированного антенной тока. Его значение тем больше, чем ближе и мощнее передатчик. Также существенное влияние оказывает конфигурация антенны.
Еще одно проявление электромагнитных волн, с которым многие ежедневно сталкиваются в быту - это использование микроволновой печи. Вращающиеся линии напряженности поля пересекают предмет и передают часть своей энергии, нагревая его.
Электромагнитной волной называют возмущение электромагнитного поля, которое передается в пространстве. Ее скорость совпадает со скоростью света
2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн
В опыте Герца источником электромагнитного возмущения были электромагнитные колебания, которые возникали в вибраторе (проводник с воздушным промежутком посередине). К этому промежутку подавалось высокое напряжение, оно вызывало искровой разряд. Через мгновение искровой разряд возникал в резонаторе (аналогичный вибратор). Самая интенсивная искра возникала в резонаторе, который был расположен параллельно вибратору.3. Объясните результаты опыта Герца с помощью теории Максвелла. Почему электромагнитная волна является поперечной?
Ток через разрядный промежуток создает вокруг себя индукцию, магнитный поток возрастает, возникает индукционный ток смещения. Напряженность в точке 1 (рис. 155, б учебника) направлена против часовой стрелки в плоскости чертежа, в точке 2 ток направлен вверх и вызывает индукцию в точке 3, напряженность направлена вверх. Если величина напряженности достаточна для электрического пробоя воздуха в промежутке, то возникает искра и в резонаторе протекает ток.Потому что направления векторов индукции магнитного поля и напряженности электрического поля перпендикулярны друг другу и направлению волны.