Что такое электромагнитная волна распространяющееся в пространстве
Электромагнитные волны, электромагнитное излучение, распространение электромагнитных волн
В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл предсказал возможность существования в пространстве электромагнитных волн. Это утверждение он выдвинул основываясь на выводах, вытекающих из анализа всех известных к тому моменту экспериментальных данных касательно электричества и магнетизма.
Максвелл математически объединил законы электродинамики, связав электрические и магнитные явления, и таким образом пришел к выводу, что изменяющиеся с течением времени электрическое и магнитное поля порождают друг друга.
Изначально он сделал акцент на том факте, что взаимосвязь магнитных и электрических явлений не симметрична, и ввел термин «вихревое электрическое поле», предложив свое, по-настоящему новое объяснение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем: «всякое изменение магнитного поля приводит к появлению в окружающем пространстве вихревого электрического поля, имеющего замкнутые силовые линии».
Справедливым, по мнению Максвелла, было и обратное утверждение, что «изменяющееся электрическое поле рождает магнитное поле в окружающем пространстве», однако это утверждение оставалось поначалу только гипотезой.
Максвелл записал систему математических уравнений, которые непротиворечиво описали законы взаимных превращений магнитного и электрического полей, эти уравнения стали впоследствии основными уравнениями электродинамики, и стали называться «уравнения Максвелла» в честь записавшего их великого ученого. Гипотеза Максвелла, с опорой на написанные уравнения, возымела несколько чрезвычайно важных для науки и техники выводов, которые приведены ниже.
Электромагнитные волны действительно существуют
В пространстве могут существовать поперечные электромагнитные волны, представляющие собой распространяющееся с течением времени электромагнитное поле. На то что волны являются поперечными, указывает тот факт, что векторы магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е взаимно перпендикулярны и оба лежат в плоскости перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.
Электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью
Скорость распространения электромагнитных волн в веществе конечна, и определяется она электрическими и магнитными свойствами вещества, по которому волна распространяется. Длина синусоидальной волны λ при этом связана со скоростью υ определенным точным соотношением λ = υ / f, и зависит от частоты f колебаний поля. Скорость c электромагнитной волны в вакууме — одна из фундаментальных физических констант — скорость света в вакууме.
Поскольку Максвелл заявлял о конечности скорости распространения электромагнитной волны, то это создало противоречие между его гипотезой и принятой в те времена теорией дальнодействия, согласно которой скорость распространения волн должна была бы быть бесконечной. Теорию Максвелла назвали поэтому теорией близкодействия.
Электромагнитная волна — это электрическое и магнитное поля, взаимно превращающиеся друг в друга
В электромагнитной волне одновременно происходит превращение электрического и магнитного полей друг в друга, следовательно объемные плотности магнитной энергии и электрической энергии равны между собой. Следовательно справедливо утверждение, что модули напряженности электрического поля и индукции магнитного поля связаны между собой в каждой точке пространства следующим соотношением:
Электромагнитные волны переносят энергию
Электромагнитная волна в процессе своего распространения создает поток электромагнитной энергии, и если рассмотреть площадку в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны, то за малое время через нее переместится определенное количество электромагнитной энергии. Плотность потока электромагнитной энергии — это количество энергии, переносимой электромагнитной волной через поверхность единичной площади за единицу времени. Подставив значения скорости, а также магнитной и электрической энергии, можно получить выражение для плотности потока через величины Е и В.
Вектор Пойнтинга — вектор потока энергии волны
Электромагнитные волны давят на отражающие или поглощающие их тела
При действии электрического поля на вещество, в нем появляются небольшие токи, представляющие собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Эти токи в магнитном поле электромагнитной волны подвергаются действию силы Ампера, которая направлена вглубь вещества. Сила Ампера и порождает в итоге давление.
Это явление позже, в 1900 году, было исследовано и подтверждено опытным путем русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым, экспериментальная работа которого явилась очень важной для подтверждения теории электромагнетизма Максвелла и ее принятия и утверждения в дальнейшем.
Тот факт, что электромагнитная волна оказывает давление, позволяет судить о наличии у электромагнитного поля механического импульса, который можно выразить для единичного объема через объемную плотность электромагнитной энергии и скорость распространения волны в вакууме:
Поскольку импульс связан с движением массы, можно ввести и такое понятие как электромагнитная масса, и тогда для единичного объема это соотношение (в соответствии с СТО) примет характер универсального закона природы, и окажется справедливым для любых материальных тел, вне зависимости от формы материи. А электромагнитное поле тогда сродни материальному телу — обладает энергией W, массой m, импульсом p и конечной скоростью распространения v. То есть электромагнитное поле — это одна из форм реально существующей в природе материи.
Окончательное подтверждение теории Максвелла
Впервые в 1888 году Генрих Герц подтвердил экспериментально электромагнитную теорию Максвелла. Он опытным путем доказал реальность электромагнитных волн и изучил такие их свойства как преломление и поглощение в различных средах, а также отражение волн от металлических поверхностей.
Герц измерил длину волны электромагнитного излучения, и показал, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Экспериментальная работа Герца стала последним шагом к признанию электромагнитной теории Максвелла. Семь лет спустя, в 1895 году, русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны для создания беспроводной связи.
Электромагнитные волны возбуждаются только ускоренно движущимися зарядами
В цепях постоянного тока заряды движутся с постоянной скоростью, и электромагнитные волны в этом случае в пространство не излучаются. Чтобы имело место излучение, необходимо воспользоваться антенной, в которой возбуждались бы переменные токи, то есть токи, быстро изменяющие свое направление.
В простейшем виде для излучения электромагнитных волн пригоден электрический диполь небольшого размера, у которого бы быстро изменялся во времени дипольный момент. Именно такой диполь называют сегодня «диполь Герца», размер которого в несколько раз меньше длины излучаемой им волны.
При излучении диполем Герца, максимальный поток электромагнитной энергии приходится на плоскость, перпендикулярную оси диполя. Вдоль оси диполя излучения электромагнитной энергии не происходит. В важнейших экспериментах Герца были использованы элементарные диполи как для излучения, так и для приема электромагнитных волн, так и было доказано существование электромагнитных волн.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Электромагнитные волны
теория по физике 🧲 колебания и волны
Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.
Как появляются и распространяются электромагнитные волны
Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.
Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой. Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.
Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется от колеблющегося заряда во все стороны.
Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности → E и магнитной индукции → B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.
В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов → E и → B в любой точке совпадают по фазе.
Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.
Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).
Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.
Условия возникновения электромагнитных волн
Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.
Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.
Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.
Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.
Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.
Плотность потока электромагнитного излучения
Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.
На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.
Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.
Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м 2 (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.
Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:
Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).
Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = w cΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:
Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.
Точечный источник излучения
Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.
Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.
Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.
Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.
Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.
Зависимость плотности потока излучения от частоты
Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:
Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:
Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.
Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.
Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения корня из числа 4 дважды:
Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.
Свойства электромагнитных волн
Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.
| Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн | |
 | Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким. |
| Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн | |
 | Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его. |
| Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн | |
 | Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука. |
| Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн | |
 | Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку. |
Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:
Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.
Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.
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 элеетрического 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. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.
Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла
Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле
Эта гипотеза 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, т. е. 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 
и 
перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).
Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы , и 
взаимно перпендикулярны
2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью
Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные:
Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.
Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):
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.
Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением
4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная
Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:
Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:
Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора
, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ0. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.
В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно
где E0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.
Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ).
5. Из теории Максвелла следует, 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 Петром Николаевичем Лебедевым в 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
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
Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), 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 Генриха 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 беспроводной 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. 2.6.4).
Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания
Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.
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.