4.5 Основы электромагнитной теории Максвелла. Электромагнитные волны
Электромагнитная теория Максвелла (1865) позволила с единой точки зрения объяснить электрические и магнитные явления и связать их с явлениями оптическими. Из этой теории следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля. Магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если система неподвижных относительно некоторой СО зарядов создает электрическое поле, то относительно другой инерциальной СО эта система зарядов движется и, следовательно, порождает магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной СО проводник с постоянным током возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных СО, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.
Одним из важнейших выводов теории Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. Теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца (1888).
Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный ток.
Плоские электромагнитные волны описываются уравнениями
Е=Е0 cos(t-kx+0), H=H0 cos(t-kx+0), (4.9)
где Е0 и Н0 – соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей, - круговая частота волны, k=/v – волновое число, 0 – начальные фазы колебаний в точках с координатой х=0. Электромагнитная волна представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Электромагнитная волна
Колебания электрического и магнитного векторов происходят с одинаковой фазой.
Электромагнитная
волна является поперечной: колебания
векторов
и
происходят во взаимно перпендикулярных
направлениях перпендикулярно вектору
скорости распространения волны.
В
вакууме скорость распространения
электромагнитных волн совпадает со
скоростью света
.
В веществе скорость распространения
электромагнитных волн уменьшается.
Показатель преломления среды n=c/v
показывает, во сколько раз скорость
электромагнитных волн в веществе меньше,
чем в вакууме.
Электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (или длин волн, λ=с/ν) и отличаются по способам генерации и свойствам (рисунок 12). Различают радиоволны (λ=103–10-4 м), световые волны (λ=5×10-4–10-9 м), рентгеновское излучение (λ=2×10-9–6×10-12 м), γ-излучение (λ<6×10-12 м). Световые волны в диапазоне длин волн (λ=8×10-7–4×10-7м) воспринимаются сетчаткой глаза человека и большинства животных и называются видимым светом.
Рисунок 12 – Шкала электромагнитных волн