Электромагнитные волны

В 60-х годах XIX столетия англичанин Джеймс Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, согласно которой изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает изменяющееся магнитное поле. Эти изменяющееся во времени поля имеют вихревой характер: силовые линии порождающего поля концентрическим образом охвачены силовыми линиями порождаемого поля. В результате образуется система "переплетённых" между собой (на воображаемой мгновенной фотографии волны) вихревых электрических и магнитных полей. Теория Максвелла позволила предсказать существование электромагнитных волн - электромагнитного поля, распространяющегося в свободном пространстве со скоростью м/с. Максвелл теоретически доказал, что свет - это разновидность электромагнитных волн. Экспериментально электромагнитные волны (с длиной волны м) были впервые получены немецким физиком Генрихом Герцемв 1887 году. Им было установлено, что источником таких волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы, т.е. переменный ток.

Мгновенный снимок электромагнитной волны представлен на нижеследующем рисунке. По проводнику, под действием электрического поля источника тока, протекает переменный ток I(t). Этот ток порождает вокруг проводника переменное вихревое магнитное поле , изображённое горизонтальной окружностью. Поле порождает вихревое электрическое поле и т.д. ( …). Скорость распространения электромагнитных волн: , где e и m - диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, в которой распространяется
волна.

Основные особенности электромагнитных волн:

1) вектор напряжённости электрического поля колеблется в плоскости движения электрического заряда (т.е. в плоскости проводника с током) и перпендикулярно направлению распространения волны , т.е. ^ её лучу;

2) вектор напряжённости магнитного поля колеблется в плоскости, перпендикулярной как плоскости колебаний вектора , так и направлению распространения волны , т.е. векторы , и взаимно перпендикулярны;

3) амплитуды напряжённостей вихревых электрических и магнитных полей зависят от направления распространения волны: они максимальны в направлении, перпендикулярном (т.е. току ), и равны нулю в направлении (т.е. вдоль проводника);

4) для распространения электромагнитных волн не требуется никакой среды, хотя они могут распространятся и в пространстве, заполненном веществом.

Распространение электромагнитных волн сопровождается переносом энергии. Из теории Максвелла следует, что интенсивность излучения (плотность потока энергии) заряда, движущегося с ускорением , пропорциональна . Но из теории колебаний (см. лекцию №3) известно, что ускорение гармонически колеблющегося электрона (в случае протекания переменного тока по металлическому проводнику), равно . Поэтому получается, что интенсивность излучения электронов в антенне пропорциональна ! Столь сильная зависимость интенсивности излучения от частоты служит причиной того, что проводники с током малой частоты, например провода ЛЭП ( Гц), практически не излучают электромагнитные волны, а радиопередатчики работают на частотах Гц.

Впервые электромагнитные волны были использованы для беспроволочной радиосвязи русским физиком Александром Степановичем Поповым 7 мая 1895 года (ныне это День радио). Первое радиотелеграфное сообщение, переданное А.С. Поповым, состояло из двух слов: "Генрих Герц".