Электромагнитное поле. Электромагнитная волна

В течение довольно длительного времени мы с вами изучали механические волны и их свойства. При этом мы отмечали, что механические волны могут распространяться только в упругих средах. Однако существуют волны, которые не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения. Это электромагнитные волны.

Впервые гипотеза об их существовании была высказана ещё в 1864 году Джеймсом Максвеллом. После открытия Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции возник вопрос о том, как возникает индукционный ток. С одной стороны, как мы уже знаем, он возникает за счёт действия переменного магнитного поля. С другой же стороны заряды в проводнике придут в упорядоченное движение только тогда, когда на них действует электрическое поле. Тогда каким образом хаотически движущиеся между узлами кристаллической решётки свободные электроны приходят в направленное движение под действием магнитного поля?

Вопрос действительно непростой, поскольку непонятно, какие силы заставляют электроны двигаться направленно. Ведь само магнитное поле этого сделать не может, так как оно действует только на движущиеся электрические заряды. Наглядно это показали опыты Ампера, в которых магнитное поле оказывало действие только на проводник с током.

Ещё одним фактом является то, что электромагнитная индукция выглядит абсолютно одинаково в двух внешне различающихся опытах. Например, в одном опыте мы вращаем рамку в однородном магнитном поле, а в другом — вращаем магнит внутри рамки.

Принимая во внимание особенности магнитного поля, нужно также помнить о том, что на заряды действует ещё и электрическое поле. Однако это поле, называемое также электростатическим, создаётся неподвижными зарядами, а индукционный ток возникает под действием переменного магнитного поля.

Рассуждая аналогичным образом Максвелл теоретически показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся во времени. В свою очередь, магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическим током), либо переменными электрическими полями. Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве индукционного электрического поля.

Но индукционное электрическое поле имеет совсем другую структуру, чем поле электростатическое, так как оно не связано с электрическими зарядами. Поэтому силовые линии этого поля не имеют ни начала, ни конца, и представляют собой замкнутые линии, похожие на линии магнитного поля. То есть это индукционное электрическое поле является вихревым.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряжённость электрического поля. Согласно правилу Ленца при возрастании магнитной индукции направление силовых линии вектора напряжённости возникающего электрического поля совпадает с направлением вращения ручки буравчика, движущегося поступательно в направлении, противоположном вектору индукции магнитного поля. И, напротив, при убывании магнитной индукции буравчик должен поступательно двигаться по направлению вектора индукции магнитного поля, и направление вращения ручки буравчика укажет направление силовых линий напряжённости возникающего электрического поля.

В свою очередь, направление силовых линий напряжённости совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд (сторонняя сила), по-прежнему равна F = qE. Но в отличие от случая стационарного электрического поля, работа вихревого поля по перемещению заряда на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряжённости электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению.

Таким образом, работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Далее Максвелл предположил, что любое изменение напряжённости вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля. И этот процесс может повторяться до бесконечности, поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме. Таким образом, в вакууме возникает система изменяющихся и взаимно порождающих друг друга электрических и магнитных полей, охватывающих все большие и большие области пространства.

Эти тесно взаимосвязанные и порождающие друг друга поля образуют электромагнитное поле.

При этом важно, что нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот.

Не менее важно и то, что электрическое поле без магнитного или магнитное без электрического может существовать лишь по отношению к определённой системе отсчёта. Например, мы знаем, что покоящийся заряд создаёт только электрическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определённой системы отсчёта. А относительно других систем отсчёта он может двигаться и, значит, создавать магнитное поле.

Точно так же в системе отсчёта, связанной с магнитом, обнаруживается лишь магнитное поле. Но движущийся относительно магнита наблюдатель обнаружит и электрическое поле, так как в системе отсчёта, движущейся относительно магнита, магнитное поле будет меняться с течением времени по мере приближения наблюдателя к магниту или удаления от него. Переменное же во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчёта эти поля рассматриваются.

Сам Максвелл твёрдо верил в существование электромагнитного поля, хотя экспериментальное подтверждение этого факта было получено лишь спустя 22 года.

Одним из важных результатов, который вытекал из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Итак, согласно теории Максвелла при ускоренном движении свободных зарядов в проводнике в пространстве вокруг него создаётся переменное магнитное поле, которое порождает переменное вихревое электрическое поле. Последнее, в свою очередь, вновь вызывает появление переменного магнитного поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее. Таким образом, в пространстве вокруг проводника образуются взаимосвязанные электрические и магнитные поля. Процесс распространения переменного электромагнитного поля и представляет собой электромагнитную волну.

Электромагнитные волны являются поперечными. В них направления колебаний векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

Примечательно, что Максвелл смог не только теоретически обосновать возможность существования электромагнитных волн, но и вычислил скорость их распространения в вакууме — почти 300 000 км/с. Вот что по этому поводу писал сам учёный в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Позже было показано, что электромагнитным волнам присуще все характеристики обычных механических волн: амплитуда, длина волны, период и частота. А также соотношения между этими величинами.

Как мы уже упоминали, экспериментально обнаружили электромагнитные волны лишь спустя 22 года, после их теоретического обоснования. Впервые это удалось немецкому учёному Генриху Рудольфу Герцу в 1887 году с помощью установки, представленной на экране (вибратор Герца).

Шарам сообщались большие разноимённые заряды, в результате чего между ними происходил электрический разряд, а в стержнях возникали электромагнитные колебания. Приём электромагнитной волны наблюдался в виде маленькой искры, которая проскакивала между двумя шариками приёмного устройства в виде проволочного витка.

Таким образом, Герц закончил гигантскую работу Майкла Фарадея. Максвелл превратил представления Фарадея в математические формулы, а Герц трансформировал математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны.

Сейчас мы точно знаем, что всё окружающее нас пространство окутано электромагнитными волнами различных частот. Их шкала необычайно широка, а применение — чрезвычайно многообразно.

В настоящее время все электромагнитные волны принято делить по длинам волн на шесть основных диапазонов. Их границы весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот могут отличаться проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и так далее. Они могут оказывать как благоприятное, так и негативное воздействие на всё живое. Например, благодаря инфракрасному излучению поддерживается жизнь на Земле. А видимое излучение даёт нам информацию об окружающем мире и возможность ориентироваться в пространстве.