Электромагнитные волны - Электромагнитные колебания и волны - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электромагнитные волны — это электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве.

Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем в 1832 г. Оно следует из теории электромагнитного поля Максвелла, который показал, что электромагнитные колебания распространяются в вакууме со скоростью света, равной 3 · 108 м/с.

Электромагнитные колебания представляют собой колебания (периодические изменения абсолютных величин и направлений) вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля во времени и пространстве.

На рис. 3.78 представлено распределение электрического и магнитного полей в пространстве в некоторый момент времени для электромагнитной волны, движущейся в направлении оси Z. Как видно из рисунка (и это следует из теории Максвелла), электромагнитная волна — поперечная волна, т. е. колебания электрического и магнитного векторов поля перпендикулярны направлению распространения волны: , где — скорость волны.

Из теории Максвелла следует, что электромагнитная волна может порождаться периодически колеблющимися в проводнике электронами (ускоренно движущимися зарядами). Поскольку движущиеся с ускорением заряды создают электромагнитное поле, то, раз возникнув, это периодически меняющееся электромагнитное поле распространяется в пространстве (во все стороны от источника волн), создавая электромагнитную волну.

В 1888 г. немецкий физик Г. Герц своими опытами подтвердил теорию электромагнитных волн Максвелла. Ему удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны.

Также из теории Максвелла следует, что радиоволны, свет, рентгеновское излучение представляют собой электромагнитные волны с различными длинами волн, причем между соседними диапазонами длин волн нет четких границ.

Длина световой волны (как и любых других волн) связана с частотой v и скоростью распространения и соотношением:

Скорость света в вакууме (или в воздухе, поскольку они мало отличаются друг от друга) принято обозначать буквой с, тогда:

Скорость света в различных средах меньше скорости в вакууме и зависит от конкретного вещества. При переходе из одной среды в другую меняется также и длина волны. Частота колебаний (электрического вектора ) и период (Т = 1/v) остаются неизменными.

Электромагнитные волны, подобно всем другим видам волн, испытывают отражение и преломление на границе двух сред с разной диэлектрической проницаемостью, а такжепоглощение.

Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн было получено Г. Герцем в 1888 г. с помощью сконструированного им генератора и приемника электрических колебаний, вошедших в науку под названием вибратор и резонатор Герца.

Вибратор Герца — это металлическая антенна, имеющая форму штыря с утолщениями на концах и разрывом посередине для подключения источника (для работы в режиме излучения) или нагрузки (для работы в режиме приема) (рис. 3.79). В конструкции применялись медные стержни с металлическими шарами (или полосами на концах) и искровым промежутком между ними, подключенные к индукционной машине. Наименьший из вибраторов имел длину 26 см при частоте излучения 5 • 108 Гц (длина волны 60 см).

Вибратор Герца представляет собой открытый колебательный контур, который может быть получен из обычного колебательного контура путем раздвижения пластин конденсатора и замены катушки на прямой провод (рис. 3.80). Делается это для того, чтобы увеличить частоту свободных колебаний контура за счет уменьшения индуктивности и емкости.

Увеличение частоты колебаний необходимо, в свою очередь, для получения интенсивных электромагнитных волн. Известно, что чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция и, в свою очередь, чем быстрее меняется индукция магнитного поля, тем больше напряженность электрического поля.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику, и сила тока достигает максимума посередине. Электромагнитное поле охватывает все пространство вокруг.

В своих опытах Герц возбуждал в открытом вибраторе серии импульсов быстропеременного тока. Колебания зарядов вибратора создавали электромагнитную волну. Регистрация излучаемых вибратором электромагнитных волн производилась с помощью приемного вибратора (резонатора), такого же, как и излучающий (когда собственная частота приемного резонатора совпадает с частотой излучателя, наблюдается резонанс). Герц обнаружил колебания в приемном вибраторе по возникновению искорок между его проводниками. Из своих опытов Герц определил скорость электромагнитной волны, которая оказалась приближенно равной скорости света. Таким образом, опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Шкала электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн с указанием длин волн и частот различных излучений изображена на рис. 3.81.

Хотя, как было указано выше, между соседними диапазонами волн нет четких границ, все же принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и ɣ-излучение.

Принципиального различия между отдельными видами излучений нет — все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые ускоренно движущимися частицами. Электромагнитные волны могут быть обнаружены по их действию на заряженные частицы. В вакууме волны любого вида электромагнитного излучения распространяются со скоростью 300 000 км/с. Различаются они по способу получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов) и методам регистрации.

Все перечисленные виды электромагнитных излучений порождаются также космическими объектами и могут быть исследованы с помощью искусственных спутников и космических кораблей (в первую очередь, это относится к рентгеновскому и у-излучению, сильно поглощаемым атмосферой).

Ниже подробнее рассматриваются свойства, получение и использование электромагнитного излучения радио-, оптического и рентгеновского диапазонов.