Что колеблется в электромагнитной волне

Электромагнитные волны

Мы знаем, что волны в пространстве передаются с помощью вещества. Например, волны с одного берега озера способны достичь другого по воде. Однако они не могут переместиться в соседнее озеро, расположенное за несколько километров.

Только в случае очень сильного сотрясения почвы, оба озера могут почувствовать эти колебания и передать их через себя в виде волн. Однако у нас все равно есть среда, передающая колебания будь то земля или вода.

Звуки, также являясь колебаниями, достигают нас по воздуху. То есть во всех случаях присутствует вещество передающей колебания среды. А что касается электромагнитного поля будет ли оно передаваться только в присутствии вещества?

Мы знаем, что причиной возникновения электромагнитного поля являются колеблющиеся частицы электроны. А электромагнитное поле это меняющиеся во времени электрическое и магнитное поля. То есть, электромагнитное поле представляет собой некие колебания. Что же это за колебания? В каких средах передается электромагнитное поле? Как зависят свойства поля от свойств среды?

Электромагнитные волны — колебания чего?

Оказалось, что электромагнитное поле, в отличие от звука и иных колебаний способно передаваться не только в веществе, но и в вакууме. Магнит будет воздействовать на металлические предметы и в условиях полного отсутствия воздуха. При этом скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна 300 тысяч км/с, то есть, равна скорости света.

В результате опытов и теоретических выкладок удалось установить, что электромагнитное поле передается в пространстве с помощью и в виде электромагнитных волн. Электромагнитные волны это порождающие друг друга и распространяющиеся в пространстве переменные электрические и магнитные поля.

Количественная характеристика магнитного поля это его магнитная индукция B, а количественная характеристика электрического поля это напряженность электрического поля E. Обе эти величины характеризуют величину силы, которая может воздействовать на вещество.

Так вот в электромагнитной волне именно эти две величины совершают периодические колебания, меняясь по модулю и направлению. Для электромагнитных волн справедливы формулы, применимые для механических волн:

λ = c*T = c/v ,

где λ длина электромагнитной волны, c скорость волны, T период волны, v частота колебаний волны.

Свойства электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн очень различаются и сильно зависят от ее длины. Электромагнитные волны разделены на диапазоны в зависимости от длины и свойств волны. Эта шкала электромагнитных волн весьма условна, поскольку соседние диапазоны часто перекрывают друг друга.

Однако можно выделить большие области со своими общими свойствами: проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, пользой или вредом для человека и так далее. Это радиоволны, ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, видимый свет, а также рентгеновское, гамма-излучение и другие.

Как вы можете видеть, в этом ряду присутствуют колебания с совершенно различными свойствами, поэтому их изучают в отдельных разделах физики и других наук. Также и применение на практике электромагнитных колебаний из различных диапазонов совершенно различно.

Что именно колеблется в электромагнитной волне?

В электромагнитной волне колеблется вектор напряженности электрического поля и вектор индукции магнитного поля. Направления эти взаимно перпендикулярны и оба перпендикулярны направлению распространения волны.

Электромагнитные колебания передаются особыми полярными частицами с помощью вращений.

Назовём такую частицу БИОН. Вид отдельного биона в окошке справа.
Бионы непрерывно заполняют все пространство (в том числе и физический вакуум).
Мы дали этой частице новое название, чтобы не объяснять каждый раз, имеем ли мы в виду старое понятие фотон или новое.
Еще раз. Бион представляет собой элементарный диполь, передающий электромагнитные колебания посредством вращения. Все свойства электромагнитных волн можно описать определёнными видами вращений биона. Бион имеет форму шара (смотрите анимацию ниже).
Однако, в некоторых анимационных роликах, мы будем показывать бион, как два шарика (смотрите ниже). Это сделано с целью «облегчить» анимацию, в противном случае она (анимация), например, для неполяризованной электромагнитной волны, имела бы достаточно большую величину. Но вы никогда не должны забывать о сферической форме каждого биона.

Что колеблется в электромагнитной волне

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рисунок 2.6.1.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Рисунок 2.6.2.

Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Рисунок 2.6.3.

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы и взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: , .

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением , где – частота колебаний электромагнитного поля, .

Скорость электромагнитных волн в вакууме ():

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия , в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия .

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: .

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δ через площадку протечет энергия , равная

Δэм = (э + м)υΔ.

Плотностью потока или интенсивностью называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для _э, _м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен . Этот вектор называют вектором Пойнтинга .

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение _ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где ₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр ().

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно . Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс . Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где _эм – объемная плотность электромагнитной энергии, – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). 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. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами . Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент () которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца . В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Рисунок 2.6.4.

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Рисунок 2.6.5.

Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Электромагнитные волны

В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

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.

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.

Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве электромагнитное поле

(колебания векторов ). Вблизи заряда электрическое и магнитное поля изменяются со сдвигом фаз π/2.

На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитные поля изменяются синфазно.

Электромагнитная волна поперечна. Направление скорости электромагнитной волны совпадает с направлением движения правого винта при повороте ручки буравчика вектора к вектору .

Причем в электромагнитной волне выполняется соотношение , где с – скорость света в вакууме.

Энергия электромагнитных волн.

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: .

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.

Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондуктора 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.

Согласно теории Максвелла . Если волна распространяется в какой-либо среде, то — скорость электромагнитных волн (скорость света в различных средах различна). Величина , показывающая во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данном веществе, называется абсолютным показателем преломления.