Краткий конспект понятный из этого текста ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Из курса физики 8 класса вы знаете о существовании электриоле нитного сущей. Электрическое поле создаётся электри полкими зарядами. Если полянится, то ческимо электрическоличие от магнитное поле. В отличие от электрического магни магнитное поле действует только на дви жущиеся заряды. В 1831 г. английским физиком Фарадеем бы ло открыто явление электромагнитной индук ции. Напомним, что оно заключается в возник Новении электрического тока в замкнутом про-водящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Возникновение индукционного тока в кольце при измене нии магнитного потока сквозь него Пусть неподвижный замкнутый проводниц помещён в изменяющееся во времени магнит-ное поле. Согласно явлению электромагнитной индукции в проводнике возникнет индукци онный ток. Но какие силы заставляют электро-ны двигаться? Поскольку проводник неподви жен, магнитное поле сделать это не может. Остаётся предположить, что электроны приво дятся в движение электрическим полем. Какова причина появления этого поля? Воз-никла гипотеза о том, что это электрическое по-ле появляется в результате изменения магнит-ного поля. Данная идея вызвала у учёных ряд вопросов. Например: отличается ли такое поле от поля, созданного неподвижными электрическими зарядами? Возника-ет ли это поле только в проводнике или существует и в пространстве во-круг него? Ответы на эти и другие вопросы были получены в 1865 г., когда Джеймс Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно этой теории, всякое изменение со вре менем магнитного поля приводит ДЖЕЙМС МАКСВЕЛЛ (1831-1879) Британский физик. Создал теорию электромагнитного поля. На её основе теоретически предсказал существование электромагнитных воли, определил, что в вакууме они должны распространяться со скоростью света 252 возникновению переменного электрического поля, а всякое изменение со временем элек трического поля порождает переменное маг-нитное поле. Теория Максвелла позже была подтверждена экспериментально. Другими словами, источником электриче ского поля могут быть не только электрические заряды, но и переменные магнитные поля. В первом случае силовые линии электричес-кого поля начинаются на положительных заря-дах и заканчиваются на отрицательных. Во вто-ром случае силовые линии электрического поля замкнуты, подобно линиям индукции магнит-ного поля. Такое электрическое поле и является причиной возникновения индукционного тока в неподвижном проводнике. Проводник, за-мкнутый на гальванометр, играет лишь роль индикатора, обнаруживающего в данной обла-сти пространства электрическое поле. У магнитного поля также могут быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. В обоих случаях линии магнитной индукции замкнуты. Электрическое и магнитное поля не являют ся обособленными физическими объектами, они тесно взаимосвязаны. Как известно, поко-ящийся заряд создаёт только электрическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относи-тельно определённой системы отсчёта. Относи-тельно других систем отсчёта он будет двигать ся и, следовательно, создавать и магнитное по-ле. Точно так же лежащий на столе магнит создаёт только магнитное поле. Но движущий-ся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле в соответствии с явлени ем электромагнитной индукции. Электрическое и магнитное поля являют ся двумя различными проявлениями одного 1 С помощью силовых линий можно наглядно изобра зить электрическое поле. Силовая линия проводится так, что в каждой точке вектор напряжённости Е электрическо-го поля направлен по касательной к силовой линии. 253 физического объекта го поля. электромагнитно- Результат разделения единого электромаг нитного поля на части, представляющие собой электрическое и магнитное поля, зависит от выбора системы отсчёта. Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий теории Максвелла одно за служивает особого внимания. Это вывод о ко-нечности скорости распространения электро-магнитных взаимодействий. Долгое время считалось, что взаимодействие между электрическими зарядами осуществля ется непосредственно через пустое пространст во. При этом действие распространяется на лю-бое расстояние мгновенно. По Максвеллу же дело обстоит иначе и много сложнее. Переме-щение заряда меняет электрическое поле вбли зи него. Это переменное электрическое поле по-рождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное элек трическое поле уже на большем расстоянии от заряда и т. д. Таким образом, перемещение за ряда вызывает «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает всё большие и большие области пространства (рис. 195). Лишь в тот момент, когда «всплеск» достигает второго заряда, действующая на него сила изменяется. Процесс распространения электромагнитного возмущения протекает с конечной, хотя и очень большой скоростью. 195. Распростра не в пространстве алеска» электро-витного поля Согласно теории Максвелла, переменное электромагнитное поле должно распростра няться в пространстве в виде поперечных волн. Причём эти волны могут существовать не толь ко в веществе, но и в вакууме. Опираясь ис-ключительно на теоретические выводы, Мак-свелл определил также, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Именно с этой скоро- стью распространяется в вакууме свет. Вы уже знаете, что в механических волнах, например в звуковых, энергия передаётся от одних частиц среды к другим. При этом части цы приходят в колебательное движение, т. е. их смещение от положения равновесия перио дически меняется. Для передачи звука обяза тельно нужна среда. В связи с тем что электромагнитные волны распространяются в веществе и в вакууме, воз никает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волие, т. е. какие физиче ские величины периодически меняются в ней? Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электри ческого и магнитного полей. Количественной характеристикой магнит ного поля является вектор магнитной индук ции vec B . электрического поля напряженность электрического поля vec E Когда говорят, что маг нитное и электрическое поля меняются, то это означает, что меняются их характеристики: вектор vec B и вектор vec E В электромагнитной волне именно векто ры vec B и vec E периодически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеблются. Если электрические заряды неподвижны, то создаваемое ими электрическое поле остаётся постоянным во времени. Если заряды движут ся равномерно (случай постоянного тока), то они создают постоянное магнитное поле. В обо-их этих случаях электрическое и магнитное поля не изменяются с течением времени, а зна-чит, и электромагнитная волна возникнуть не может. Электромагнитные волны могут воз буждаться только ускоренно движущимися электрическими зарядами. Пусть заряд совершает гармонические коле бания около начала координат вдоль оси Х с частотой ѵ. Рассмотрим распространение вдоль оси 2 создаваемой им волны. На рисунке 196 изображены вектор напряжённости ского поля Ё и вектор индукции магнитног поля В электромагнитной волны в од же момент времени. Это «моментальный сни мок» волны, распространяющейся в направле нии оси 2. Плоскость, проведённая через век торы В и Ев любой точке, перпендикулярна направлению распространения волны, что го ворит о поперечности волны. За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси 2 на расстояние, рав ное длине волны. Для электромагнитных воли справедливы те же соотношения между длиной волны д, её скоростью с, периодом Ти частотой ѵ колебаний, что и для механических воли: A=cT=. Максвелл не только научно обосновал воз можность существования электромагнитных волн, но и указал, что для излучения мощных электромагнитных воли необходимо, чтобы колебания векторов Е и В происходили с до статочно высокой частотой. На основании того, что скорость распростра нения электромагнитных воли в вакууме полу-чилась равной скорости света (скорость света была к тому времени измерена), Максвелл предположил, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Дальнейшее разви СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТных волн К выводу о существовании электромагнит-ных волн Максвелл пришёл теоретическим путём. Теория требовала проверки на опыте. Как получить электромагнитные волны экспе-риментально? РИХ ГЕРЦ -1894) кий физик, один из осново ников электродинамики. «иментально доказал сущест е электромагнитных волн Можно предположить, что электромагнит-ные волны должны излучаться электрической цепью, по которой течёт переменный ток. Дей-ствительно, переменный ток создаёт перемен-ное магнитное поле, оно порождает переменное электрическое поле и т. д. Чем выше частота переменного тока, тем более интенсивным должно быть излуче-ние. Однако в обычной цепи, пред-ставляющей собой замкнутый кон-тур, для каждого участка, где в дан-ный момент времени ток течёт в одном направлении, можно указать другой участок, где направление тока противоположное. Излучённые таки-ми участками волны будут гасить друг друга, и в результате цепь будет излучать плохо. Из сказанного ясно, что для получения элек-тромагнитных волн больше подходит не за-мкнутый контур, а просто прямой провод. Если каким-то образом возбудить в нём высо-кочастотные колебания электронов, можно ожидать появления достаточно интенсивных электромагнитных волн. Впервые это удалось осуществить Герцу в 1888 г. он эксперимен-тально получил и зарегистрировал электромаг-нитные волны. Для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называ-емое сегодня вибратором Герца. Вибратор представлял собой два металлических стержня с шарами на концах, раздвинутых на неболь-шое расстояние (рис. 197, а). Благодаря воз-душному промежутку половинам вибратора можно сообщить значительные разноимённые заряды. Когда напряжение между шарами до стигает определённого предельного значения, в воздушном промежутке проскакивает искра, Столбик ионизированного воздуха в канале ис кры хороший проводник. Он замыкает по-ловины вибратора, и свободные электроны в вибраторе приходят в направленное движе ние. Движение электронов по вибратору, на-пример, направо вызывает появление положи тельного заряда слева и отрицательного заряда справа. Возникают электрические силы, воз-вращающие электроны налево. Таким обра зом, во время существования искры в вибрато ре происходят колебания электронов, и он из-лучает электромагнитные волны. Для обнаружения электромагнитных воли Герц использовал приёмный вибратор, пред-ставляющий собой проводящий виток, пре-рванный малым воздушным промежутком (рис. 197, 6). Приёмный вибратор располагался на некотором расстоянии от излучающего. Пе-ременное электрическое поле электромагнит-ной волны возбуждало в приёмном вибраторе колебания электронов, и в его воздушном про-межутке проскакивали маленькие искорки. В результате опытов Герца были обнаруже ны все свойства электромагнитных волн, тео-ретически предсказанные Максвеллом. Изу-чим некоторые из них на опыте, но не будем обращаться к старинной «искровой технике возбуждения волн, а воспользуемся современ-ным оборудованием. Обратим внимание, что и в современных антеннах излучение электро-магнитных волн происходит в результате вы сокочастотных колебаний свободных электро-нов относительно положительных ионов ме-талла. Будем использовать передатчик, генериру-ющий электромагнитные волны с длиной вол-ны 3 см, и приёмник, регистрирующий эти волны. Передатчик имеет рупорную антенну, что позволяет получить направленное излуче- ние. Приёмник также имеет рупорную антенну, улавливаю щую волны, распространяющие-ся вдоль её оси. О приёме вол-ны свидетельствует отклонение стрелки индикатора на задней стороне приёмника. Чем больше интенсивность излучения, тем сильнее отклоняется стрелка. Общий вид экспериментальной установки изображён на рисун-ке 198. Расположим рупоры напротив друга друга на некотором рассто-янии, добившись отклонения стрелки почти на всю шкалу. Будем помещать между рупо-рами различные диэлектрические тела. Заме-тим, что отклонение стрелки лишь немного уменьшается. Значит, электромагнитные волны проходят через диэлектрик. Поме-стим теперь между рупорами металлический лист стрелка установится на нуле. Значит, электромагнитные волны не проходят через проводник. Оказывается, в последнем опыте волны не достигли приёмника вследствие отражения от металла. Расположим рупоры под одинаковы ми углами к металлическому листу (рис. 199, а). Волна будет принята. Если убрать лист или по-вернуть его, стрелка приёмника установится на нуле. Итак, электромагнитные волны отра-жаются от проводника, причём угол отраже ния равен углу падения. Расположим рупоры под углом друг к дру-гу, как и в предыдущем опыте, а металличе-ский лист заменим треугольной призмой из парафина (диэлектрик). Волна будет приня-та. Это означает, что электромагнитные вол-ны преломляются на границе диэлектрика (рис. 199, б). Наша установка позволяет наблюдать и та-кое важное волновое явление, как интерферен- 259 ция. Расположим рупоры под небольшим углом друг к другу, чтобы стрелка приёмника была лишь немного отклонена от нуля. Поднесем снизу металлический лист в горизонтальном положении (рис. 199, в). Поднимая лист, обна ружим, что стрелка колеблется. Дело в том, что в приёмник приходят две волны: одна непо-средственно от передатчика, а другая после от ражения от металлического листа. Меняя по-ложение листа, мы делаем так, что волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Таким образом, опыты показывают, что электромагнитные волны отражаются, пре-ломляются и им свойственна интерференция. Отметим, что можно наблюдать также дифрак цию электромагнитных волн. Как вы знаете, эти же свойства