Электромагнитные волны. Гипотеза Максвелла.

Создал теория электромагнитного поля (теория максвелла). Предсказал существование электромагнитных волн и их распространение в пространстве со скоростью света.

Заряд, согласно Максвеллу любой электрический заряд должен излучать электромагнитные волны. Покоящийся заряд (а также равномерно и прямолинейно движущийся) электромагнитных волн не излучает.

Источники электромагнитных волн. Волновое уравнение.

Источники электромагнитных волн

Проводник с током. Магнит. Электрическое поле (переменное).

Вокруг проводника, через которых проходит ток и он постоянен. При изменении силы тока индукция этого поля тоже изменится. Возникнет возмущение электромагнитного поля. Переменное магнитное поле создаст переменное электрическое поле, которое в свою очередь создаст переменное магнитное и т.д.

Волновое уравнение.

Закон Био-Савара-Лапласа

где – элемент тока

I – сила тока в проводнике

– вектор, равный по модулю длине dl проводника и совпадающий по направлению с направлением тока

– магнитная проницаемость среды (для вакуума=1)

Гн/м – магнитная постоянная

– радиус-вектор, проведенный от середины элемента проводника к точке, в которой определяется магнитная индукция.

Полный ток равен сумме токов проводимости и смещения

- вектор напряжённости магнитного поля (описывает поле макротоков).

Обобщённая теорема о циркуляции

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля

1) Электромагнитное поле может быть как так и, тогда напряжённость суммарного равна

Циркуляция вектора напряжённости суммарного поля

(первое уравнение Максвелла)

- показывает, что исп могут быть не только заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.

Обобщённая теорема о циркуляции

2) (- плотность тока)

- показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями

3) Теорема Гаусса для электромагнитного поля в диэлектрике

(- эл. смещение.)

если заряд распространяется внутри замкнутой поверхности с пост. , то эта формула записывается в виде

(второе уравнение Максвелла)

4) теорема Гаусса для

- этот результат является математическим выражением того, что в природе нет магнитных зарядов – есть магнитные поля, на которых начинались бы или заканчивались линии магнитной индукции.

Величины, входящие в уравнение Максвелла связаны соотношениями

()

()

(- удельная проводимость вещества)

Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрических и магнитных полей.Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Для стационарных полей (и)

уравнения Максвелла примут вид:

Скорость распространения электромагнитных волн.

Скорость электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической константой для всех систем отсчёта

Связь со скоростью света в вакууме.

скорость электромагнитных волн в веществе в раз меньше, чем в вакууме:

- диэлектрическая проницаемость среды.

- магнитная проницаемость среды.

Свойства электромагнитных волн: поперечность, синфазность колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей.

Поперечность. электромагнитные волны являются поперечными.

Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического и индукциимагнитного полей.

Возможность существования электромагнитных волн обусловлена тем, что существует связь между переменными электрическим и магнитным полями. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Существует и обратное явление: переменное во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Электромагнитные волны в зависимости от длины волны (или частоты колебаний) разделены условно на следующие основные диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр, ультрафиолетовые волны и гамма - лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с веществом.

Несмотря на то, что свойства электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений Максвелла. Величины ив электромагнитной волне в простейшем случае меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направленииZ, являются:

(1)

где - циклическая частота, -частота,- волновое число,начальная фаза колебаний.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности переменного электрического и индукциипеременного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к векторускорости распространения волны. Векторы,иобразуют правовинтовую систему: из конца вектораповорот откна наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 1).

рис. 1

На рис. 2 показано распределение векторов иэлектромагнитной волны вдоль осиOZ в данный момент времениt.

рис. 2

Из формулы (1) следует, что вектора ив электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е. они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.

Основываясь на том, что электромагнитная волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с определенной ориентацией векторов ив пространстве.