63. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Распространение колебаний в упругой среде. Волны, их характеристики. Уравнение плоской волны, ее характеристики.
В середине 19-го века английский физик Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитных явлений.
Одним из важнейших предсказаний этой теории явилось существование электромагнитных волн. 1. ТЕОРИЯ МАКСВЕЛЛА
Когда Максвелл начал свои исследования, на опыте было уже установлено, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а также переменным магнитным полем
О магнитном же поле было известно только, что оно создается электрическими токами . Однако для построения внутренне согласованной теории единого электромагнитного поля Максвеллу потребовалось сделать предположение, что
магнитное поле создается также переменным электрическим полем.
2. Электромагнитные волны. Предсказание электромагнитных волн
Из теории Максвелла следовало, что
переменные поля — электрическое и магнитное — взаимно порождают друг друга.
А это означает, что такие поля могут отделиться от первоначально породивших их электрических зарядов и пуститься в «самостоятельное плавание» в виде электромагнитных волн
Максвелл смог теоретически вычислить скорость распространения этих волн, использовав только экспериментальные данные о взаимодействии электрических зарядов и электрических токов. Полученный результат поразил ученого: скорость электромагнитных волн совпала с уже измеренной к тому времени скоростью cвema!
Удивление ученого и его волнение были связаны с тем, что до той поры световые явления никак не связывали с электрическими и магнитными.
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ НА ОПЫТЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Сторонниками теории Максвелла были в основном английские физики (может быть, отчасти потому, что сам Максвелл был англичанином). Немецкие же физики придерживались теории, согласно которой электрические и магнитные явления обусловлены действием на расстоянии (дальнодействием).
И немецкий физик Генрих Герц решил поставить опыт с целью опровергнутьтеорию Максвелла.
В узком промежутке незамкнутого контура с помощью высокого напряжения возбуждалась искра (рис. 11.1). Если бы электромагнитные волны существовали, они должны были бы, распространившись в пространстве, «зажечь» искру во втором контуре, не соединенном с первым.
Герц предполагал, что искры во втором контуре не будет. Но опыт показал, что искра во втором контуре неизменно следует за искрой в первом! А это означало, что электромагнитные волны действительно существуют.Когда Герц измерил скорость этих волн, она совпала со скоростью света — как и предсказывал Максвелл!
ГДЕ МОГУТ РАСПРОСТРАНЯТЬСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ?
В начале 20-го века выдающийся физик Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности, которая убедительно объяснила все электромагнитные явления. Согласно теории относительности электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме. Причем в вакууме скорость электромагнитных волн наибольшая — около 300 000 км/с.
Свет может идти через пустоту миллиарды лет, принося нам все новые интригующие сведения о звездах и галактиках. Вот почему мы видим огромное множество звезд, но «слышим» только великое молчание космоса: в межзвездном пространстве нет среды, в которой может распространяться звук.
Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами.
Например, колебания электронов в недрах Солнца и звезд рождают электромагнитные волны, которые, пройдя огромные расстояния, действуют на электроны в атомах наших глаз.
КАК НАПРАВЛЕНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И МАГНИТНОЕ ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЕ?
Если заряженная частица, являющаяся источником электромагнитных волн, совершает гармонические колебания, то на большом расстоянии от нее электрическое и магнитное поля представляют собой гармонические волны.
На рис. 11.2 схематически изображена «мгновенная фотография» электромагнитной волны, то есть зависимость от координат напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в определенный момент времени.
В каждой точке пространства, сквозь которое движется электромагнитная волна, модуль напряженности электрического поля прямо пропорционален модулю индукции магнитного поля, а направлены эти векторы под прямым углом друг к другу.
Гребни электромагнитной волны перемещаются в пространстве со скоростью света с.
