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.
|
|
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 и перпендикулярны друг дружке и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 5.6.3).
3 |
Набросок 5.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электрическая волна. Векторы , и взаимно перпендикулярны. |
2. Электрические волны распространяются в веществе с конечной скоростью
|
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):
|
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.
|
Отсюда следует, что в электрической волне модули индукции магнитного поля и напряженности электронного поля в каждой точке места связаны соотношением
|
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:
Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:
|
Поток энергии в электрической волне можно задавать при помощи вектора 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
|
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
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
Отсюда следует:
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).
4 |
Набросок 5.6.4. Простый диполь, совершающий гармонические колебания. |
Рис. 5.6.5 дает представление о структуре электрической волны, излучаемой таким диполем.
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.