Skip to Content

Электромагнитные волны



Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.

Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса: Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Рис. 5.6.1 и 5.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Закон электромагнитной индукции 1
Рисунок 5.6.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла.
Гипотеза Максвелла. 2
Рисунок 5.6.2. Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, то есть систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов: 1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы  Электромагнитные волны
и  Электромагнитные волны
перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 5.6.3).

Синусоидальная электромагнитная волна. 3
Рисунок 5.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы  Электромагнитные волны
            ,  Электромагнитные волны
            и  Электромагнитные волны
            взаимно перпендикулярны.

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

 Электромагнитные волны

  Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м. Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

 Электромагнитные волны

  Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия. 3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: wэ = wм.

 Электромагнитные волны

  Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля  Электромагнитные волны
и напряженности электрического поля  Электромагнитные волны
в каждой точке пространства связаны соотношением

 Электромагнитные волны

  4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 5.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

  Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

 Электромагнитные волны

  Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:

 Электромагнитные волны

  Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора  Электромагнитные волны
направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ0. Этот вектор называют вектором Пойнтинга (1885 г.). В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно

 Электромагнитные волны

где E0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.  Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). 5. Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла. Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

 Электромагнитные волны

где wэм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.  Для поля в единичном объеме

 Электромагнитные волны

  Отсюда следует:

 Электромагнитные волны

  Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (см. гл. VII), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи. 6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи (А. С. Попов, 1895 г.). 7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p(t) которого быстро изменяется во времени. Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 5.6.4).

Элементарный диполь 4
Рисунок 5.6.4. Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания.

Рис. 5.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Излучение элементарного диполя. 5
Рисунок 5.6.5. Излучение элементарного диполя.

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.


Комментарии

Про диполь Герца все говорят

Про диполь Герца все говорят и используют его практически везде. Забыли однако про ток смещения Максвелла и его эксперименты с открытым контуром, т.е. емкостным излучателем. Герц когда то писал, что полуволновой диполь равен по эффективности открытому контуру. Я знаю, что военные давно его используют в мобильных объектах связи. Как на счет теории излучения емкостным излучателем? Для затравки могу сказать следующее, - такой излучатель обратим, работает на передачу и прием, имеет последовательный резонанс со всеми характеристиками последовательного колебательного контура, его размеры всего 0,01-0,02 длины волны. Излучение полей Е и Н в ближней зоне происходит одновременно....
У диполя Герца с опозданием.
Есть ли у Вас по этому поводу ответы или вопросы?
С уважением, Сергей. ehant@mail.ru

Представление о

Представление о электромагнитной волне как о синхронном изменении электрического и магнитного векторов
ошибочно. Это противоречит законам сохранения энергии. На самом деле электрическая и магнитная составляющие поля сдвинуты друг относительно друга на 90 градусов, тогда максимуму электрического поля соответствует нуль магнитного и наоборот. Иначе и быть не может.

Представление о том, что

Представление о том, что колебания электрического и магнитного векторов в электромагнитной волне изменяются синхронно по фазе, и пучностям магнитного поля соответствуют пучности электрического, как и нулевые значения их векторов, ошибочно! Должна происходить перекачка энергии из магнитного поля в электрическое и обратно. Где же закон сохранения энергии, если в нулевых точках материя исчезает? Вектора должны быть сдвинутыми на π/2 по фазе. Тогда спадающая напряженность электрического поля будет сопровождаться возрастающей напряженностью магнитного в перпендикулярном направлении, причем существуют симметричные изменения, подобно лево- и правовращающм изомерам. И в момент Большого взрыва в первые мгновения создаются условия для конденсации пока таинственным для нас способом электромагнитного излучения в первичные сгустки поля, в дальнейшем приводящие к возникновению элементарных частичек вещества. Причем, существенное значение имеет фаза, кратная π/2,на которой происходит это формирование. Тут вам и знак электрического заряда, и спин, и окраска кварка и пр., пр., пр. Так что, представление Максвелла об пространственной организации электромагнитного поля в волне следует пересмотреть. Как и таблицу элементарных частиц!

Внешняя батарея на солнечных

Внешняя батарея на солнечных батареях
Тип: универсальное зарядное устройство на солнечной батарее с встроенным аккумулятором
Емкость: 50 000 mAh (Одновренно заряжает 2 устройства). Пока светит солнце - у Вас есть энергия!
http://powers-bank.com/files/powerbank_1/img/advant5.jpg
Заказать >> http://goo.gl/Kp6Ypi

Селфи палочка
100% ОРИГИНАЛЬНЫЙ МОНОПОД ДЛЯ СЕЛФИ С BLUETOOTH КНОПКОЙ ОТ ОФИЦИАЛЬНОГО ПОСТАВЩИКА В РОССИИ
Снимай селфи фото и видео на iphone, android и gopro!
http://selfiesmonopod.com/files/monopod_1/img/monopod.png
Читать подробнее >> http://goo.gl/Cejaee

Съемный объектив для смартфоноф и планшетов
Универсальный объектив для планшетов и телефонов - теперь Вы можете делать фото своей мечты прямо с Вашего гаджета
http://cliplens-objective.com/files/cliplens_1/img/untitled-1.png
Смотреть >> http://goo.gl/LYzEot