Reklama

Электромагнитные волны

Существование электрических волн было на теоретическом уровне предсказано величавым 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 электронному и магнитному полям. Он направил внимание на ассиметрию связи меж электронными и магнитными явлениями.

Максвелл ввел в физику понятие вихревого электронного поля и предложил новейшую трактовку закона электрической индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электронное поле, силовые полосы которого замкнуты. Максвелл высказал догадку о существовании и оборотного процесса: Изменяющееся во времени электронное поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Рис. 5.6.1 и 5.6.2 иллюстрируют обоюдное перевоплощение электронного и магнитного полей.

Закон электрической индукции 1
Набросок 5.6.1. Закон электрической индукции в трактовке Максвелла.
Догадка Максвелла. 2
Набросок 5.6.2. Догадка Максвелла. Изменяющееся электронное поле порождает магнитное поле.

Догадка Максвелла была только теоретическим предположением, не имеющим экспериментального доказательства, но на ее базе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих обоюдные перевоплощения электронного и магнитного полей, то есть систему уравнений электрического поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд принципиальных выводов: 1. Есть электрические волны, другими словами распространяющееся в пространстве и во времени электрическое поле. Электрические волны поперечны – векторы  Электрические волны
и  Электрические волны
перпендикулярны друг дружке и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 5.6.3).

Синусоидальная электрическая волна. 3
Набросок 5.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электрическая волна. Векторы  Электрические волны
,  Электрические волны
и  Электрические волны
взаимно перпендикулярны.

2. Электрические волны распространяются в веществе с конечной скоростью

 Электрические волны

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

 Электрические волны

  Скорость c распространения электрических волн в вакууме является одной из базовых физических неизменных. Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электрических волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в какой скорость распространения электронного и магнитного полей принималась нескончаемо большой. Потому теорию Максвелла именуют теорией близкодействия. 3. В электрической волне происходят обоюдные перевоплощения электронного и магнитного полей. Эти процессы идут сразу, и электронное и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Потому большие плотности электронной и магнитной энергии равны друг дружке: wэ = wм.

 Электрические волны

  Отсюда следует, что в электрической волне модули индукции магнитного поля  Электрические волны
и напряженности электронного поля  Электрические волны
в каждой точке места связаны соотношением

 Электрические волны

  4. Электрические волны переносят энергию. При распространении волн появляется поток электрической энергии. Если выделить площадку S (рис. 5.6.3), направленную перпендикулярно направлению распространения волны, то за маленькое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

  Плотностью потока либо интенсивностью I именуют электрическую энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

 Электрические волны

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

 Электрические волны

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

 Электрические волны

где E0 – амплитуда колебаний напряженности электронного поля.  Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). 5. Из теории Максвелла следовало, что электрические волны должны оказывать давление на поглощающее либо отражающее тело. Давление электрического излучения разъясняется тем, что под действием электронного поля волны в веществе появляются слабенькие токи, другими словами упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и делает результирующее давление. Обычно давление электрического излучения ничтожно не достаточно. Так, к примеру, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на полностью всасывающую поверхность составляет приблизительно 5 мкПа. 1-ые опыты по определению давления излучения на отражающие и всасывающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели большущее значение для утверждения электрической теории Максвелла. Существование давления электрических волн позволяет прийти к выводу о том, что электрическому полю присущ механический импульс. Импульс электрического поля в единичном объеме выражается соотношением

 Электрические волны

где wэм – большая плотность электрической энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электрического импульса позволяет ввести понятие электрической массы.  Для поля в единичном объеме

 Электрические волны

  Отсюда следует:

 Электрические волны

  Это соотношение меж массой и энергией электрического поля является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (см. гл. VII), оно справедливо для всех тел независимо от их природы и внутреннего строения. Таким макаром, электрическое поле обладает всеми признаками вещественных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это гласит о том, что электрическое поле является одной из форм существования материи. 6. 1-ое экспериментальное доказательство электрической теории Максвелла было дано приблизительно через 15 лет после сотворения теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только лишь экспериментально обосновал существование электрических волн, но в первый раз начал учить их характеристики – поглощение и преломление в различных средах, отражение от железных поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электрических волн, которая оказалась равной скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для подтверждения и признания электрической теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электрические волны отыскали применение в беспроволочной связи (А. С. Попов, 1895 г.). 7. Электрические волны могут возбуждаться только ускоренно передвигающимися зарядами. Цепи неизменного тока, в каких носители заряда движутся с постоянной скоростью, не являются источником электрических волн. В современной радиотехнике излучение электрических волн делается при помощи антенн разных конструкций, в каких возбуждаются быстропеременные токи. Простейшей системой, излучающей электрические волны, является маленький по размерам электронный диполь, дипольный момент p(t) которого стремительно меняется во времени. Таковой простый диполь именуют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен маленький антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 5.6.4).

Простый диполь 4
Набросок 5.6.4. Простый диполь, совершающий гармонические колебания.

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

Излучение простого диполя. 5
Набросок 5.6.5. Излучение простого диполя.

Следует направить внимание на то, что наибольший поток электрической энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Повдоль собственной оси диполь не испускает энергии. Герц использовал простый диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном подтверждении существования электрических волн.

Reklama