11 класс
§ 39. Электромагнитные волны
Возникновение магнитного поля при изменении электрического поля.
Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. При изменении со временем магнитной индукции 
возникает электрическое поле, линии напряжённости которого охватывают линии магнитной индукции (рис. 6.43).
Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряжённость электрического поля. При возрастании магнитной индукции 
; направление напряжённости образует левый винт с направлением вектора .
Максвелл допустил, что во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряжённости электрического поля (рис. 6.44) подобно тому, как линии напряжённости электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля.
Но только при возрастании напряжённости электрического поля 
направление вектора индукции возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора 
1.
1 Если, напротив, магнитное поле убывает, то линии напряжённости образуют правый винт с линиями магнитной индукции , а при ослаблении электрического поля линии магнитной индукции образуют левый винт с линиями напряжённости .
Утверждение Максвелла некоторое время оставалось не чем иным, как гипотезой. Впоследствии её справедливость была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн.
Таким образом, электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает магнитное поле и т. д.
Передача электромагнитных взаимодействий.
Электрические и магнитные поля — проявление единого электромагнитного поля. В зависимости от того, в какой системе отсчёта рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны этого поля.
Согласно теории дальнодействия, кулоновская сила, действующая на электрический заряд, мгновенно изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. По Максвеллу же дело обстоит совершенно иначе. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое ноле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т. д. Причём возникающее вихревое магнитное или вихревое электрическое поле гасит поле в тех областях пространства, где оно уже имелось, но захватывает новые области пространства (рис. 6.45).
Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает всё большие области окружающего пространства, перестраивая то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был раскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой скоростью. Он чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте — 300 000 км/с.
Электромагнитная волна.
Пусть электрический заряд не просто сместился из одной точки пространства в другую, а приведён в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнёт периодически изменяться. Период этих изменений равен периоду колебаний заряда.
Переменное электрическое ноле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д. В окружающем заряд пространстве, захватывая всё большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 6.46 изображён «моментальный снимок» такой системы полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда.
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн.
Обратим внимание, что векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Другими словами, электромагнитная волна является поперечной.
Расстояние между двумя ближайшими максимумами или минимумами возмущения электромагнитного поля называют длиной волны λ.
Период T и частота ѵ электромагнитных колебаний связаны соотношением T = 1 / ѵ, следовательно, λ = υ / ѵ или υ = λv.
Скорость распространения электромагнитной волны равна произведению длины электромагнитной волны на частоту электромагнитных колебаний. Модуль скорости распространения электромагнитных волн в вакууме приближённо равен модулю скорости света в вакууме — 3 • 108 м/с.
Важно подчеркнуть, что, в отличие от механических волн, электромагнитные волны могут распространяться в тех областях пространства, где отсутствует вещество, т. е. в вакууме.
Открытие электромагнитных волн.
Электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем. В своих опытах для получения электромагнитных волн он использовал устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Оно представляет собой открытый колебательный контур. Обычный колебательный контур (его можно назвать закрытым) не приспособлен для излучения электромагнитных волн (рис. 6.47, а).
Дело в том, что его переменное электрическое ноле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное поле — внутри катушки. Но чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика. Область, в которой создаётся переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Его ёмкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин ещё больше уменьшит ёмкость конденсатора (рис. 6.47, б). Уменьшение же ёмкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для ещё большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков (рис. 6.47, в). Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы получим открытый колебательный контур.
Для возбуждения в нём колебаний нужно провод разрезать посередине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 6.48, а). Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.
Когда разность потенциалов превысит некоторое предельное значение, проскакивает искра, цепь замыкается (рис. 6.48, б), и в открытом контуре возникают колебания — вибратор излучает электромагнитные волны.
Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приёмного вибратора (его ещё называют резонатором), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приёмном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приёмного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приёмного вибратора.
В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ = λѵ. Она оказалась равной скорости света с = 300 000 км/с.
Таким образом, опыты Герца блестяще подтвердили теоретические предсказания Максвелла.
Интенсивность электромагнитной волны.
Электромагнитные волны переносят энергию из одних участков пространства в другие. Перенос энергии осуществляется вдоль лучей — воображаемых линий, указывающих направление распространения волны.
Интенсивностью электромагнитной волны I называют отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам площадку площадью S, к произведению площади S за время Δt.
Другими словами, интенсивность — это энергия, переносимая волной через единичную площадку (перпендикулярную лучам) в единицу времени, или, что то же самое, это мощность излучения, проходящего через единичную площадку
Единицей интенсивности в СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м2). Интенсивность характеризует, в частности, степень воздействия электромагнитного излучения на его приёмники.
Спектр электромагнитных волн.
По длине волны (или частоте) спектр электромагнитных волн условно делят на несколько диапазонов (рис. 6.49). Кратко охарактеризуем некоторые диапазоны электромагнитных излучений.
Радиоволны занимают диапазон частот от 3 ∙ 104 до 3 ∙ 1011 Гц. Их получают при помощи генераторов высокой и сверхвысокой частоты. Радиоволны больших частот излучаются в окружающее пространство, что позволяет использовать их для передачи информации на значительные расстояния (радиосвязь, телевидение). Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией. Для определения расстояния до цели используют импульсный режим излучения радиолокатора. Его передатчик излучает волны кратковременными импульсами. Во время пауз принимаются отражённые волны. В общем случае расстояние L до предмета, отразившего радиоволны, определяют но формуле:
где τ - промежуток времени между посланным и принимаемым сигналами.
Инфракрасному излучению соответствует диапазон частот от 1011 до 3,85 ∙ 104 Гц (λ = 780 нм - 1 мм). Оно возникает в результате колебательных и вращательных движений атомов и молекул вещества. Его испускает любое нагретое тело. Мощным источником инфракрасного излучения является Солнце. Около 50% его излучения лежит в инфракрасной области. В настоящее время созданы приборы ночного видения, например бинокли, оптические прицелы, преобразующие невидимое глазом инфракрасное изображение объекта в видимое.
Видимое излучение (свет) — единственный диапазон электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом. Световые волны занимают достаточно малый диапазон длин волн: от 380 нм до 780 нм (ѵ = 3,85 ∙ 1011 - 7,89 ∙ 1014 Гц). Источником видимого излучения являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие своё положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся с ускорением. Эта часть спектра электромагнитных волн даёт человеку максимальную информацию об окружающем мире. Изучению световых волн будет посвящён отдельный раздел учебника.
Ультрафиолетовое излучение занимает диапазон частот от 8 ∙ 1014 до 3 ∙ 1016 Гц (λ = 10 - 380 нм). Мощными источниками этого излучения являются Солнце, звёзды и другие космические объекты. Ультрафиолетовое излучение может оказывать как полезное, так и вредное воздействие на человеческий организм. Так, оно убивает болезнетворные бактерии, благодаря чему используется в медицине. Вместе с тем в больших дозах оно может вызвать повреждение сетчатки глаза и ожог кожи. Для защиты от ультрафиолетового излучения используют очки, контактные линзы.
Рентгеновское излучение занимает на шкале электромагнитных волн диапазон частот от 3 ∙ 1016 до 3 ∙ 1020 Гц (λ = 10 -12 - 10 -18 м). Большая проникающая способность рентгеновского излучения используется в медицине (рентгеновские снимки, флюорография), науке и технике (рентгеноструктурный анализ кристаллов, обнаружение дефектов в образцах).
Создание приёмников рентгеновского излучения и размещение их на космических станциях позволили обнаружить рентгеновское излучение звёзд и целых галактик. Но рентгеновское излучение является ионизирующим: оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, ожогов и злокачественных опухолей.
Гамма-излучение — самое коротковолновое электромагнитное излучение, занимающее диапазон частот от 3 ∙ 1020 Гц (λ < 10 -12 м). Оно возникает, например, при распаде радиоактивных ядер, при распаде элементарных частиц, при прохождении быстрых электронов через вещество. Гамма-излучение обладает ещё большей проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. Оно проникает сквозь метровый слой бетона, слой свинца толщиной несколько сантиметров.
Вопросы:
1. Что порождает изменяющееся с течением времени:
а) магнитное поле;
б) электрическое поле?
2. В чём заключалась гипотеза Максвелла?
3. Проявлением какого поля являются электрические и магнитные поля?
4. Что представляет собой электромагнитная волна?
5. Какими свойствами обладают электромагнитные волны?
6. Ha какие диапазоны условно делят спектр электромагнитных волн по длине волны (или частоте)?
Вопросы для обсуждения:
1. В системе отсчёта, движущейся со скоростью упорядоченного перемещения электронов в проводнике, электроны покоятся. Почему же и в этой системе на проводник будет действовать со стороны магнитного поля сила Ампера?
2. Передающий и приёмный вибраторы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Возникнут ли электромагнитные колебания в приёмном вибраторе? Почему?
