Какие отличительные свойства имеет электромагнитная волна в отличие от других видов волн

Изучение свойств и характеристик электромагнитных волн

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Генрих Рудольф Герц изучал искровые разряды, возникающие в индукционной катушке Румкорфа, трансформаторе, позволяющем получать импульсы высокого напряжения. Колебательный характер таких разрядов установил американец Джозеф Генри в 1842 году.

Герцу было известно, что возникшая в разряднике катушки искра способна одновременно возбудить искру и в параллельно подключенном колебательном контуре. Ученый попытался вызвать искровой разряд в контуре, не подключенном к цепи, и обнаружил: искра максимальна при настройке его в резонанс с колебаниями тока в катушке.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Последующие измерения показали, что картина электрического поля, возникающего при разряде, объясняется только теорией Джеймса Кларка Максвелла о токах смещения: в разных направлениях оно убывало по-разному. Эти эксперименты, проведенные в 1888 году, и считаются официальным открытием электромагнитных волн.

Причины возникновения, гипотеза Максвелла

Само понятие поля ввел гениальный самоучка, которому мы обязаны многими открытиями, — Майкл Фарадей. Не владея математическим аппаратом, он не мог выразить в виде формул то, что отчетливо видел мысленным взором, — картину распределения в пространстве силовых линий.

В трудах Томаса Юнга и Огюстена Жана Френеля была разработана теория, в соответствии с которой свет — это волнообразное возбуждение эфира. Волновая теория позволила наиболее полно объяснить такие явления, как преломление, интерференция и дифракция света.

Кроме того, Френель строго доказал прямолинейность его распространения в свободном пространстве. Рассматривая открытую Гюйгенсом поляризацию света, он высказал предположение, что световая волна — волна поперечная. Теория электромагнитного поля Максвелла отождествила свет с электромагнитными волнами, которые действительно оказались поперечными.

Джеймс Кларк Максвелл поставил целью создать теорию эфира, связав его механические характеристики с электрическими и магнитными силами. Он ввел всего одну поправку в открытые до него законы электромагнетизма.

Было известно, что электрическое поле возбуждают либо электрические заряды, либо переменное магнитное поле, которое имеет единственный источник — электрический ток. Максвелл предположил, что магнитное поле возникает также и при изменении электрического поля. Подобное изменение он назвал током смещения.

Тщательно изучив труды Фарадея, он пришел к выводу, что напряженность \(\overrightarrow Е\) электрического поля объясняется упругими напряжениями в эфире, а магнитная индукция \(\overrightarrow B\) — его вихревыми движениями.

Также Максвелл предсказал существование электромагнитных волн и их распространение со скоростью света, что позволило ему считать свет одним из видов электромагнитного излучения. Именно он объединил электричество, магнетизм и свет в рамках единой концепции электромагнитного поля. Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе. Причем они переносят не вещество, а энергию.

По теории Максвелла, плотности электрической и магнитной энергий в волне равны. Как распространяется электромагнитное поле, нетрудно понять из законов электродинамики. Если в какой-то области пространства изменится магнитное поле, то вокруг нее сразу возникнет электрическое поле благодаря электромагнитной индукции.

Возникновение или изменение электрического поля приведет к появлению вокруг него магнитного поля, и так оба поля вместе, цепочкой, следуя друг за другом, будут перемещаться в пространстве. Значит, для получения волны необходимо начальное возмущение какого-нибудь из полей, чего можно добиться, перемещая заряд.

Достаточно даже одного заряда, колеблющегося около положения равновесия или движущегося по окружности: поле, создаваемое им вокруг себя, периодически изменяется — и рождается электромагнитная волна.
Используя векторный анализ, Максвелл вывел для электрического поля \(\overrightarrow Е (х, у, z, t)\) уравнение вида

Для магнитного поля уравнение получилось аналогичным, с заменой вектора электрической напряженности на вектор магнитной индукции. Здесь \(\mu_\) и \(\epsilon_\) — магнитная и электрическая постоянные, х, у и z — пространственные координаты, t — время, а каждое слагаемое — вторая производная напряженности по координате или времени.

Определение

Магнитная постоянная — скалярная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности в выражениях некоторых законов электромагнетизма, связывающих вектор напряженности магнитного поля \(\overrightarrow H\) и вектор магнитной индукции \(\overrightarrow B\) .

Определение

Электрическая постоянная — скалярная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности в выражениях некоторых законов электромагнетизма, связывающих магнитную постоянную \(\mu_\) и скорость света с.

Еще в 40-х годах XVIII века Д. Бернулли, Ж. Д’Аламбер и Л. Эйлер получили решение подобного уравнения, описывающего колебание струны в виде двух перемещающихся в пространстве волн произвольной формы, которые движутся в противоположных направлениях со скоростью v. Таким образом, из уравнений Максвелла следовала возможность существования волн электромагнитной природы.

Фарадей и Максвелл рассматривали поле как механические напряжения в универсальной упругой среде — эфире. С открытием новых экспериментальных фактов эфир приходилось наделять самыми противоречивыми свойствами: он должен был вести себя при быстрых колебаниях, как твердое тело, и в то же время не сопротивляться движению планет. Эфир считали то жидкостью, то смолой, но всегда объявляли ненаблюдаемым.

Полностью механизм электромагнитных процессов стал понятен лишь с возникновением квантовой электродинамики — теории, объясняющей эти процессы на уровне микромира. За ее разработку японский физик-теоретик Синъитиро Томонага, а также американские ученые Юлиан Сеймур Швингер и Ричард Филлипс Фейнман в 1965 году были награждены Нобелевской премией.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля — фотоны. Это не имеющие массы частицы, которые движутся со скоростью света с. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами.

Виды электромагнитных волн

Электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Частота меняется обратно пропорционально длине.

При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение длиной менее \(2 \times 10^\) м. Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле

где h — постоянная Планка.

Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: \(0,005–100 нм, 2\times10^ — 6\times10^ Гц.\)

Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучениями. Это природное излучение Солнца, которое занимает диапазон от 400 до 100 нм.

Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Инфракрасные волны, к которым относится тепловое излучение Солнца, занимают диапазон от 2000 до 0,75 мкм.

Ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение составляют оптическую область спектра. Она объединяет эти три отдельные категории по той причине, что исторически предметом исследования ученых-оптиков был главным образом видимый свет, но при этом приборы для его изучения используют и при исследовании близких по диапазону излучений.

Терагерцевые, или субмиллиметровые волны, которые иногда выделяют в отдельную категорию, занимают диапазон от 1 до 0,1 мм.

Радиоволны относятся к длинным и низкочастотным электромагнитным волнам — от 0,1 мм или до 3 ТГц.

Свойства и характеристики электромагнитных волн

Период колебания волны

Период колебания Т — тот минимум времени, за который волна совершает одно колебание.

Определение

Колебание — процесс изменения состояний системы около точки равновесия, повторяющийся во времени. В случае электромагнитных волн сопровождается переносом энергии.

Период обратно пропорционален частоте, а также связан с длиной волны и скоростью:

Длина волны

Длина волны \(\lambda\) — расстояние, которое она проходит за одно колебание. Если точки находятся на расстоянии \(\lambda\) друг от друга, их смещения из положений равновесия будут одинаковы, и колебания в них будут происходить в одинаковой фазе.

v здесь — фазовая скорость волны, Т — период колебаний, f — частота, \(\omega\) — круговая частота.

Длина стоячей волны — это расстояние между двумя пучностями или двумя узлами, которое можно рассчитать с помощью формулы:

Длина стоячей волны равна половине длины соответствующей бегущей волны, так как возникает при наложении двух волн, падающей и ее отражения, и сумма их амплитуд равна нулю.

Скорость распространения волны

Максвелл рассчитал скорость электромагнитных волн — ведь для этого нужно знать только электрическую и магнитную проницаемости. Скорость распространения излучения, она же скорость света, равна \(3\;\times\;10^8\;\) мс. Точное значение — 299 792 458 м/с.

Частота колебаний электромагнитного поля

Частота колебаний \(\nu\) — число полных циклов колебаний в секунду. Частоты электромагнитных волн изменяются в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду до \(10^\) .

Поляризация радиоволн

Явление направленного колебания векторов напряженности в электромагнитной волне называется поляризацией. Возникает только в поперечных волнах. Электромагнитные волны почти всегда обладают свойствами поперечных волн, поскольку вектора напряженности в них колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольными электромагнитные волны бывают только в сильно диспергирующих средах.

Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Если направление вектора \(\overrightarrow Е\) неизменно, волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой он колеблется, — направлением поляризации.

Плоскость, в которой кроме вектора \(\overrightarrow Е\) лежит еще вектор скорости волны, называется плоскостью поляризации. Если же направление вектора \(\overrightarrow Е\) изменяется, и он вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация круговая.

В данном случае проекции вектора \(\overrightarrow Е\) на две взаимно перпендикулярные оси — самостоятельные гармонические волны: одна из них отстает от другой на четверть длины волны. Можно сказать, что круговая поляризация — результат сложения двух линейно поляризованных волн.

Если же складываются две волны круговой поляризации, у которых векторы \(\overrightarrow Е\) вращаются в противоположных направлениях, получается линейно поляризованная волна. В самом общем случае вектор \(\overrightarrow Е\) при вращении периодически изменяет свою длину.

Такая поляризация называется эллиптической, круговая и линейная поляризация — ее частные случаи. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.

Чтобы описать поляризацию волны, компоненты вектора напряженности выражают с помощью параметров Стокса, интерпретируя их, как координаты точек, расположенных на сфере, называемой сферой Пуанкаре.

Напряженность магнитного поля в электромагнитной волне

Определение

Напряженность поля — векторная величина, которая характеризует поле в конкретной точке.

Движущиеся заряды создают вокруг себя еще и магнитное поле. Однако действующая в нем на магнит или другой ток сила отличается от электрической силы направлением — магнитная стрелка старается развернуться перпендикулярно проводу.

Чтобы вычислить напряженность магнитного поля \(\overrightarrow Н\) , связанную с вектором магнитной индукции \(\overrightarrow В\) , в общем случае нужно воспользоваться уравнением Максвелла для магнитного поля.

Насколько полезной была для вас статья?

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

Вокруг нас существует сложный мир электромагнитных полей: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, СВЧ-печей, телевизоров, других электробытовых приборов. Все эти изобретения стали возможными благодаря предсказаниям Максвелла [6], который смог увидеть связь между электромагнетизмом, открытым Фарадеем [8], и светом. В 1873 году вышла двухтомная работа Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». В трактате подведён итог развитию учения об электрических и магнитных явлениях, создана единая теория электромагнитного излучения и учение о свете как электромагнитных волнах.

Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет – это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.

Открытие электромагнитных волн – замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нём видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства – электричество и магнетизм, – обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления – электромагнитного взаимодействия.

На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия [10], которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и объединяющая теория – квантовая хромодинамика [4] – которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия.

Всё вышеизложенное подтверждает актуальность данной темы.

1. Понятие «волна»

Для того, что лучше понять сущность и свойства электромагнитных волн, кратко ознакомимся с понятием «волна».

Волна – изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Перенос энергии – принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии (рис.1).

Рис. 1 – Отличие колебания от волны

Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»). В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.

Важнейшей характеристикой волны является её скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.

При распространении механической волны движение передаётся от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии.

Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания, например, начала шнура, струны и т.д., и распространяется вместе с волной. Так, волны расходятся от камня, брошенного в пруд, и представляют собой колебания уровня воды, расходящиеся от места падения концентрическими кругами.

Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук тоже является волной – колебаниями давления воздуха, распространяющимися во все стороны от источника звука, например, свистка. То есть большинство волн – это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).

Однако, имеются волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. Колебательные перемещения электрического заряда тоже вызывают волны изменений электрического и магнитного полей.

Действительно, эти колебания заряда сначала приведут к периодическим изменениям электрического поля вокруг, которые в свою очередь, согласно гипотезе Максвелла, вызовут появление переменного магнитного поля той же частоты. При этом возникшее магнитное поле будет выходить за пределы породивших его колебаний электрического заряда. Потом, изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызовет электрическое ещё на большем расстоянии от колеблющегося заряда и т.д.

Таким образом, колебательные перемещения электрического заряда приводят к возникновению распространяющихся в пространстве волн колебаний электрического и магнитного полей. Такие волны называют электромагнитными.

2. Электромагнитные волны и их свойства

2.1 Электромагнитные волны

Электромагнитные волныпредставляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.

Как уже было отмечено выше, существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж.Максвеллом в 1864 году. Он проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он ввёл 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.

Была высказана гипотеза о существовании и обратного процесса: изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Максвелл впервые описывал динамику новой формы материи – электромагнитного поля, и вывел систему уравнений (уравнений Максвелла), связывающую характеристики электромагнитного поля с его источниками – электрическими зарядами и токами. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей.

Рисунок 2, а и б иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рис. 2 – Взаимное превращение электрического и магнитного полей:

а) Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла;

б) Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчёта. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчёта, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчёта и порождать в этой системе отсчёта, кроме электрического, ещё и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.

Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис. 3. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.

Рис. 3 – Процесс распространения электромагнитного поля

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на её основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т.е. систему уравнений электромагнитного поля.

Итак, из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов – основных свойств электромагнитных волн.

Существуют электромагнитные волны, т.е. распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.

В природе электрические и магнитные явления выступают какдве стороны единого процесса.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. Наличие ускорения – главное условие излучения электромагнитных волн, т.е.

— всякое изменение магнитного поля создаёт в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис. 2,а).

— всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряжённости переменного электрического поля, и охватывают их (рис. 2,б).

Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором «правый винт».

Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 4).

Рис. 4 – Поперечные электромагнитные волны

Периодические изменения электрического поля (вектора напряжённости Е) порождают изменяющееся магнитное поле (вектор индукции В), которое в свою очередь порождает изменяющееся электрическое поле. Колебания векторов Еи В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны (вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми.

Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, и это ещё раз подтвердило справедливость теории близкодействия.

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.

Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях и твёрдых средах, но и в вакууме.

Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет собой непрерывное поглощение и переизлучение электромагнитной энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости волны.

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

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.

Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено резонансным поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.

Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).

Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракцияволн, рассеяниеволн и другие явления.

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 5 мкПа.

Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены выдающимся физиком Московского университета П.Н. Лебедевым в 1900 г. [5]. Обнаружение столь малого эффекта потребовало от него незаурядной изобретательности и мастерства в постановке и проведении эксперимента. В 1900 г. ему удалось измерить световое давление на твёрдые тела, а в 1910 г. – на газы. Основную часть прибора П.Н. Лебедева для измерения давления света составляли лёгкие диски диаметром 5 мм, подвешиваемые на упругой нити (рис. 5) внутри откачанного сосуда.

Рис. 5 – Эксперимент П.Н. Лебедева

Диски изготавливались из различных металлов, и их можно было заменять при проведении экспериментов. На диски направлялся свет от сильной электрической дуги. В результате воздействия света на диски нить закручивалась, и диски отклонялись. Результаты опытов П.Н. Лебедева полностью согласовывались с электромагнитной теорией Максвелла и имели огромное значение для её утверждения.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объёме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Так как давление световой волны очень мало, то оно не играет существенной роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Но в противоположных по масштабам космических и микроскопических системах роль этого эффекта резко возрастает. Так, гравитационное притяжение внешних слоёв вещества каждой звезды к центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу. В микромире давление света проявляется, например, в явлении световой отдачи атома. Её испытывает возбужденный атом при излучении им света.

Световое давление играет значительную роль в астрофизических явлениях, в частности, в образовании кометных хвостов, звёзд и т.д. Световое давление достигает значительной величины в местах фокусировки излучения мощных квантовых генераторов света (лазеров). Так, давление сфокусированного лазерного излучения на поверхность тонкой металлической пластинки может привести к её пробою, то есть к появлению отверстия в пластинке. 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.

2.2 Открытие электромагнитных волн

Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца [3] в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла.

Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, используя два металлических стержня с шарами на концах, разделённых искровым промежутком. Эти стержни обладают определённой индуктивностью и электроёмкостью и представляют собой излучающий электрический колебательный контур-вибратор (вибратор Герца) [2]. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно.

Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах – резонатор, Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создаёт электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отражённой от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну.

Вибратор Герца имел длину от 2,5 м до 1 м, что соответствовало волнам длиной от 5 до 2 м, то есть полученные Герцем волны в миллион раз превосходили по длине световые волны. В 1895 г. П.Н. Лебедев, пользуясь миниатюрными вибраторами, получил электромагнитные волны длиной около 2 –6 мм.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц».

2.3 Шкала электромагнитных волн

Излучение электромагнитных волн происходит в широком диапазоне частот или длин волн [9].

Радиоволны и некоторые рентгеновские лучи излучаются при ускорении или замедлении свободных электронов, например, при столкновениях.

Все остальные виды электромагнитных волн возникают при переходах электронов между электронными оболочкамивнутри атомов.

Поглощение электромагнитных волн вызывает увеличение температуры среды, что приводит к инфракрасному излучению.

Гамма-лучи излучаются радиоактивными веществами (рис. 6).

Рис. 6 – Виды излучения электромагнитных волн

Во многих случаях электромагнитные волны излучаются не непрерывно, а как последовательность импульсов, называемых фотонами.

Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и др. областях науки и техники.

Заключение

В работе были рассмотрены такие вопросы как понятие волн, электромагнитных волн и их экспериментальное обнаружение, свойства электромагнитных волн, шкала электромагнитных волн.

Электромагнитными волнами называется процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж.К. Максвеллом. Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда [11]), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Максвелл создал теорию электромагнитных волн. На основе своих уравнений он пришел к выводу, что в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.

Таким образом, ускоренное движение электрических зарядов приводит к возникновению электромагнитных волн – взаимосвязанным изменениям электрического и магнитного полей. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.

— электромагнитная волна является поперечной, так как векторы напряжённость электрического поля и напряженность магнитного поля перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию;

— электромагнитные волны, как и другие волны, переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся электрическом и магнитном полях;

— электромагнитная волна должна обладать импульсом, а поэтому оказывать давление на тела.

Впервые опыты с электромагнитными волнами были осуществлены в 1888 г. Г. Герцем. С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приёмника он получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Дальнейшие исследования электромагнитных волн показали, что они обладают способностью испытывать отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и поляризацию.

Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А.С. Попову.

Значение теории Максвелла.

1. Показал, что электромагнитное поле – это совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных полей.

2. Предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся от точки к точке с конечной скоростью.

3. Показал, что световые волны являются электромагнитными волнами, и по своей физической природе ничем не отличается от других электромагнитных волн – радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.

4. Связал воедино электричество, магнетизм и оптику.

Список использованных источников

1. Ботаки, А.А. Физика [Электронный ресурс] : учебное пособие / А.А. Ботаки, Э.В. Поздеева, В.В. Ларионов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 120 с.

2. Вибратор Герца // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B0.

3. Герц, Генрих Рудольф // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86,_%D0%93%D0%B5%D0%BD%D1%80%D0%B8%D1%85_%D0%A0%D1%83%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%84.

4. Квантовая хромодинамика // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0.

5. Лебедев, Пётр Николаевич // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B1%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%B2,_%D0%9F%D1%91%D1%82%D1%80_%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87.

6. Максвелл, Джеймс Клерк // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%BB,_%D0%94%D0%B6%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D1%81_%D0%9A%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BA.

7. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.

8. Фарадей, Майкл // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D0%B9,_%D0%9C%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D0%BB.

9. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с. – С. 152–164.

Виды электромагнитных волн

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Первыми материалами о существовании предполагаемых электромагнитных волн поделился английский ученый-физик Фарадей в 1832 году. Позднее Дж.Максвелл выстроил теорию электромагнитного поля, обосновав ее математическим путем. Выводы Максвелла подтвердил практическим экспериментом Герц, хотя первоначально он стремился их опровергнуть.

Успешной в изучении электромагнитных волн была деятельность П.Н. Лебедева.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Электромагнитное поле распространяется в пространстве посредством электромагнитных волн (ЭМВ). Те из них, которые возникают вокруг электрического заряда и способны распространяться вдаль от самого движущегося заряда, относят к понятию «излучение». При этом его сила по мере увеличения расстояния постепенно затухает. Исключение составляет вакуумная среда, т.е. пространство, в котором нет прочих тел или веществ, способных поглотить существующие либо испустить новые волны.

В физике в зависимости от диапазона существует следующая классификация видов ЭМВ:

• радиоволны;
• терагерцевые;
• инфракрасные;
• видимые (свет);
• ультрафиолетовые;
• рентгеновские;
• гамма-излучение.

Примечание

Для гамма-излучения существует параллельный термин «жесткое».

Скорость распространения ЭМВ зависит от ее длины. В вакууме она равна скорости света, в других средах имеет более низкие значения. Этим показателем определяется, будет ли излучение подчиняться законам геометрической оптики. Это происходит тогда, когда расстояние в несколько раз превышает длину волны.

Еще одной важной характеристикой является частота излучения, которая обозначается λ.

Определение

Частота излучения равна числу гребней, проходящих через регистрационное устройство за единицу времени — секунду.

С учетом положений теории колебаний и электродинамики, для ЭМВ характерно существование 3х векторов, располагающихся перпендикулярно друг к другу. Это вектора:

• волновой;
• напряженности электрополя (обозначение Е) и магнитного поля (обозначение Н).

Классификация, частотные диапазоны

В основе классификации ЭМВ лежат характерные для каждой из подгрупп частотные диапазоны. Между ними не существует резких, четко очерченных границ, порой их значения могут перекрывать один другого. Скорость излучения постоянна только в вакууме, поэтому частота взаимосвязана с длиной ЭМВ в таких же условиях.

Радиоволны

Диапазон радиоволн занимает отрезок от низких до инфракрасных частот (до 3 ТГц). Их распространение происходит без волноводов, поэтому можно не учитывать атомистическое строение окружающей среды.

Радиоволны подразделяются на:

• сверхдлинные;
• длинные;
• средние;
• короткие;
• ультракороткие.

Источником являются атмосферные, а также магнитные природные явления. Второй источник — радиосвязь. Ультракороткие волны образуются при физических явлениях — грозах.

Ультракороткие радиоволны

Длина волны ультракоротких лучей — 10м-1мм, сверхдлинных — более 10км. При этом частота ультракоротких — 30 МГц-300 ГГц, ультрадлинных — менее 30 кГц.

Ультракороткие радиоволны можно зарегистрировать при прохождении тока переменной частоты, что используется в радиотехнике, например, при сооружении антенн.

Группа подразделяется на метровые, деци-, санти-, мили-, субмилли- и микрометровые. Если длина волны менее 1-го метра (при частоте сверх 300 МГц), то она относится к микроволнам или СВЧ (сверх высоких частот).

Инфракрасное излучение

Начиная от красного цвета видимого света (длина 0,74 мкм) до микроволны (1-2 мм) занимает инфракрасное излучение. Это самый большой промежуток спектра, который могут излучать твердые и жидкие тела, имеющие определенную температуру. В таком случае про них говорят, что происходит излучение энергии в инфракрасном диапазоне. Важно, что длина волн, которые такие тела излучают, прямо пропорциональна температуре.

Примечание

Тепловое излучение тем интенсивнее, чем выше температура нагретого тела и короче длина ЭМВ.

В том свете, который видит человеческий глаз, содержится 7 основных цветов. При этом красные области спектра находятся после инфракрасных, а за фиолетовыми следуют ультрафиолетовые. Однако ни тот, ни другой край не способен видеть глаз человека.

Поверхность Солнца (фотосфера) имеет температуру 6000оС. Ее цвет — желтый, а источник излучения является оптическим. Наши органы чувств способны воспринимать такой участок спектра излучения.

Оптический диапазон излучения обусловлен тепловым движением молекул и атомов. При определенной скорости их движения тело нагревается и начинает светиться сначала красным светом, затем — желтым.

В окружающей среде чаще встречаются тела, которые излучают свет, состоящий из ЭВМ разной длины, сложного состава спектра. Их энергия воспринимается глазом человека и может ощущаться неоднозначно. Происходит это по причине различной чувствительности глаза к волнам неодинаковой длины.

Наряду с тепловым излучением, излучать оптическую энергию могут химические и биологические процессы. В качестве примера приема оптического излучения можно привести фотографирование.

Жесткие лучи

К данной группе относятся рентгеновское излучение. В естественных условиях оно образуется в ходе ионизации атомов, сопровождающей радиоактивный распад. Еще одной причиной образования является космическое излучение.

Область рентгеновского излучения отделена от гамма-диапазона условно. Ориентировочно его энергия заключена в диапазоне 20 эВ-0,1 МэВ, в отличие от гамма-энергии, диапазон которой более 0,1 МэВ.

УФ лучи

«По соседству» с рентген-излучением находятся UV лучи. Их диапазон делится на ближний и дальний (вакуумный). Ближний занимает нишу 380-200 нм, дальний — 200-10 нм. Дальний также может называться вакуумным. Он интенсивно поглощается атмосферными массами и подвергается исследованиям в использованием вакуумного оборудования.

История открытия УФО связана с именем И.В. Риттера. который в 1801 году сделал вывод, что хлорид серебра под воздействием невидимого излучения с длиной волны, находящейся за пределами фиолетового света, разлагается быстрее.

УФ излучение с длинными волнами

Данный поддиапазон содержит волны не интенсивной активности. Однако они также вызывают пигментацию кожи и в небольших дозах оздоравливают человеческий организм.

Длинноволновое УФ излучение характеризуется свечением определенных веществ, благодаря чему оно находит применение в изготовлении люминесцентных предметов, а также в качестве маркера в некоторых химических реакциях.

УФ излучение со средней длиной волн

Под действием таких ЭМВ витамин D в организме человека превращается в физиологическую форму и служит для профилактики рахита. Средневолновое УФ излучение тонизирует системы организма, вызывает выработку мелатонина, однако губительно для растений.

УФ излучение с короткой длиной волн

Обладает бактерицидным эффектом, благодаря чему используется в обеззараживающих установках. С его участием идет дезинфекция и стерилизация медицинского оборудования и предметов быта.

УФ облучение поступает на землю от Солнца. Удельный вес различных вариантов данного излучения непостоянен, он зависит от многих факторов окружающей среды.

Существуют и искусственные доноры УФ излучения. Такие источники нашли применение в медицинских приборах, оборудовании санитарно-гигиенического профиля, а также в борьбе с вредителями сельского хозяйства.

Гамма-излучение

Относится к коротковолновым ЭМИ. Характеризуются корпускулярными свойствами и обладают значительным травмирующим воздействием на человеческий организм. Его нельзя почувствовать или ощутить. Это ионизирующее излучение, при котором устойчивые атомы превращаются в ионы. Скорость лучей находится в световом диапазоне.

Среди источников гамма-излучения можно назвать квазары и пульсары. Когда звезда преобразуется в сверхновую, наблюдается выделение энергии и гамма-излучение.

Что является источником электромагнитных волн

Синтезировать ЭМВ может электрический колебательный контур (проводник). Примером являются лампы, магнетроны, транзисторы. Наиболее простой источник — точечного характера. Его размеры намного меньше того расстояния, на протяжении которого действуют излучаемые им ЭМВ. Причем излучение происходит равномерно интенсивное во всех направлениях.

Самое коротковолновое излучение осуществляют атомные ядра, хотя большого различия между соседними по классификации группами нет. Обнаружение ЭМВ происходит по результатам воздействия на заряженные частицы.

Ученым удалось установить естественный волновой фон, в котором человек адаптировался. В то же время существование на Земле двух полюсов ведет к тому, что на человека постоянно оказывается излучение определенного спектра. Когда электромагнитное поле у живого индивидуума претерпевает изменения, у него могут возникнуть довольно серьезные проблемы со здоровьем.

Примечание

Исторически доказаны факты, что во время и после вспышек на Солнце часты катаклизмы и войны. Это результат сдвига в магнитном поле Земли.

Шкала и сфера применения

Расположение ЭМВ в порядке возрастания частоты (либо уменьшения λ) возникает система, которая называется шкалой электромагнитных волн. По сути, это — непрерывный ряд частот ЭМИ, который носит условный характер.

Широко распространены приборы ночного видения, в основе работы которых лежит инфракрасное излучение. Разработаны и выпускаются специальные детекторы ИК лучей, которые помогают спасательным службам искать живые существа под завалами (в результате завалов при землетрясениях или прочих стихийных бедствиях). Сегодняшнее применение ЭМВ широко и разнообразно. Без них не обходится работа электротехнических приборов, например, сотовая связь, бескабельный интернет, радио и телевизионные приборы с пультом управления. Мы разогреваем пищу в микроволновой печи, а автомобилисты учитывают работу на трассе радаров.

ЭМВ появляются в окололампочном пространстве, а также рядом с работающими телевизорами и мониторами.

Широкая сфера применения у УФ лучей. В определенном диапазоне они обладают антисептическим и дезинфицирующим действием, что используется в борьбе с инфекциями. В банковских структурах, опираясь на механизм их действия, проверяют подлинность денежных купюр.

Поскольку УФ лучи оказывают губительное действие на любую живую клетку, в т.ч. бактерии и вирусы, то механизм УФ облучения используется для стерилизации медицинских изделий, оборудования, рабочих поверхностей.

Примечание

Если бы над земной корой отсутствовала атмосфера, жесткие УФ лучи убили бы все живое на Земле. Однако озоновый слой атмосферы способен поглощать эти лучи, выбирая их из спектра радиации Солнца. Несмотря на это, часть жестких УФ лучей все-таки проникает на поверхность Земли и способна вызвать ожоги, а также озлокачествление клеток кожи.

Велико значение в медицине рентгеновских лучей. Проникая через мягкие ткани, они дают врачу представление о костной патологии, помогают диагностировать переломы и искривления.

Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы.

Космическая аппаратура использует устройства гамма-телескопы.

Какие отличительные свойства имеет электромагнитная волна в отличие от других видов волн

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.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла
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).

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).

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

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

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.

Парковка домодедово

освоить параллельную парковку задним ходом

fix-park.ru