Изучаем электромагнитные волны

С помощью электромагнитных волн (ЭМВ) происходит передача электромагнитного излучения (ЭМИ) на заданное расстояние. Распространение электромагнитной волны осуществляется в вакууме со скоростью близкой к скорости света. Поэтому современную гражданскую и военную технику невозможно себе представить без различных вариантов пары передатчик-приёмник. Лазеры, радиотелескопы, радары, медицинская техника (рентгеновские и УЗИ аппараты) — вот только несколько примеров широкого использования ЭМВ.

Примеры бытовых источников ЭМВ

Как появилось знание о волнах

Природные волновые процессы, характеризующиеся изменяющимся во времени чередованием минимумов и максимумов любых физических параметров (например, звука, температуры, давления, плотности вещества) были предметом исследования и математического описания еще до появления в физике раздела об электричестве. Самым наглядным примером волнового процесса являются концентрические волны, возникающие на водной глади от брошенного камня.

Волна на водной поверхности

Оптические явления, происходившие «на глазах» у пытливых исследователей требовали своей трактовки и хотя бы качественного (без использования математических операций) понимания:

• Одним из первых вариантов волнового механизма, способствующего пониманию различных световых явлений, которые можно было наблюдать визуально, стала работа голландского исследователя Х. Гюйгенса (1629–1695) «Трактат о свете» (1678 г.).
• 1690 г. Гюйгенс предложил качественную теорию для объяснения таких эффектов, как двойное лучепреломление, отражение и преломление в кристаллах карбоната кальция (исландском шпате CaCO₃). Эта трактовка практически в неизменном виде доныне используется в школьных учебниках физики.
• Х. Гюйгенс предложил в 1678 г., а французский учёный О. Ж. Френель в 1815 г. развил так называемый принцип Гюйгенса-Френеля, утверждающий в качестве постулата, что любая точка фронта волны является новым (вторичным) источником волн (круговых или сферических) аналогичных исходным. Благодаря этому подходу удалось объяснить явления интерференции и дифракции.

Волновая оптика и учёные, заложившие её основы

• До работ Х. Гюйгенса огромный вклад в развитие теории световых явлений внесли английские физики И. Ньютон (1643–1727) и Р. Гук (1635–1703).
• В 1800 г. английский оптик Ф. У. Гершель (1738–1822) обнаружил инфракрасное излучение, занимающее диапазон волн между красной границей видимого света и микроволновым излучением.
• Немецкий химик И. В. Риттер (1776–1810) в 1801 г. экспериментально доказал, что существует ультрафиолетовое излучение (диапазон между видимым и рентгеновским излучением).
• На основании накопленного массива научных данных, дополненных собственными исследованиями, выдающийся английский учёный М. Фарадей в 1832 г. сформулировал революционную концепцию о существовании электромагнитного поля и, как следствие, гипотезу об ЭМВ с помощью которых происходит в природе взаимодействие электрических зарядов.

Фарадей — физик, который первым ввёл понятия ЭМП и ЭМВ

Уравнения Максвелла

На базе большого объема экспериментальных данных и выдвинутых гипотез стройную, математически строгую модель ЭМП и ЭМВ создал и опубликовал в 1861–1862 г. г. выдающийся английский учёный Д. К. Максвелл. Он предложил для описания ЭМП систему математических уравнений, впоследствии названных его именем.

Уравнения Максвелла — фундамент науки об электрических явлениях

В уравнениях Максвелла электрическое и магнитное поля — равноправные компоненты ЭМП:

• Уравнение (1) представляет собой математическое описание закона индукции Фарадея, когда изменяющаяся во времени магнитная индукция порождает электрическое поле.
• Уравнение (2) объясняет возникновение электрического поля сторонними электрическими зарядами с объёмной плотностью ρ (К/м³).  — электрическая индукция (Кл/м²).
• Уравнение (3) говорит о двух источниках вихревого магнитного поля — токе плотностью j (А/м²) и отдельно движущихся зарядах.
• Уравнение (4) констатирует факт отсутствия в природе магнитных зарядов.

Свои уравнения Максвелл предложил в двух равноправных формах — дифференциальной и интегральной. То, что постоянный электрический ток является источником магнитного поля, было известно из опытов Х. Эрстеда и зафиксировано в уравнении (3).  Максвелл интуитивно, из соображений симметрии, ввёл в уравнение дополнительный член (воображаемый ток), который получил название тока смещения, отличного от тока проводимости. Таким образом он математически зафиксировал непрерывный процесс взаимного порождения двух видов полей — переменное электрическое генерирует магнитное, а переменное магнитное — электрическое. Отсюда Максвелл сделал вывод о том, что такой тандем непрерывно колеблющихся полей способен отделяться от своих источников и распространяться с большой скоростью. Электромагнитное поле, распространяющееся независимо, было названо волной. На основании теории Фарадея и своих уравнений Максвеллу удалось вычислить скорость электромагнитных волн.

Из уравнений также следовало, что:

• Электромагнитные волны распространяются в разных средах с разной скоростью.
• Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света с = 3*10¹⁰ см/с.
• Свет — один из видов ЭМВ.

Эксперименты Герца

Немецкий физик-экспериментатор Г. Р. Герц в 1887 г. создал специальную установку для обнаружения ЭМВ. Для возбуждения электромагнитных колебаний он использовал искровой разряд, который возникал в передатчике на основе индуктивной катушки, разработанной ранее немецким изобретателем Г. Румкорфом.

В качестве передающей антенны Герц изготовил симметричный вибратор. Приёмником-регистратором служил резонатор — кольцо или рамка из проволоки с шариками из латуни на концах, зазор между которыми регулировался для попадания в резонанс с ожидаемой ЭМВ. Когда передатчик генерировал искру, в зазоре приёмника-резонатора, расположенном на расстоянии 3 метров, также появлялась искра, и это являлось прямым подтверждением того, что такое явление, как электромагнитные волны существует.

Эксперименты Герца

Позднее процесс получения ЭМВ, придуманный Герцем, был использован для создания радиосвязи и радиовещания. Ученый исследовал такие свойства, как преломление, отражение и поляризация, в результате которых была продемонстрирована идентичность поведения световых и электромагнитных волн. Таким образом, научный мир знаний о природе электричества пополнили четыре важных вывода:

• Уравнения Максвелла точно описывают поведение нового вида материи — электромагнитного поля. Г. Р. Герц предъявил миру доказательство о реальном существовании невидимого типа материи.
• Распространение электромагнитных волн происходит со скоростью света.
• Энергия ЭМП может передаваться на большие расстояния без участия проводов посредством ЭМВ.
• Электромагнитные (радио) волны возникают только при движении заряженных частиц с ускорением. При равномерном движении с постоянной скоростью заряженная частица не создает излучения.

Основные свойства волн

В физике волновых процессов до того как были обнаружены электромагнитные волны, различали такие виды волн:

• Продольные — это волны, колебания которых происходят в том же направлении, в котором распространяется волна. Примером могут служить звуковые волны и сейсмические колебания.
• Поперечные — это волны, колебания которых происходят перпендикулярно направлению движения волны. ЭМВ относятся к поперечному типу.

Электромагнитные волны являются поперечными вследствие того, что вектора магнитного и электрического полей перпендикулярны друг другу и каждый из них перпендикулярен направлению, в котором перемещается волна.

Свойства ЭМВ

Основные параметры

Электромагнитная волна является поперечной и монохроматической структурой. Ее основные характеристики:

• Длина λ — расстояние, которое проходит волна за период колебания Т.
• Период Т — время, за которое происходит одно полноценное колебание (волна проходит через максимум и минимум).
• Частота ν — число полных колебаний волны за единицу времени (в СИ за 1 с).

Параметры ЭМВ

Как следует из этих определений, длина электромагнитной волны равна:

Формула длины

Поскольку Т = 1/ ν, то

Выражение для определения длины волны

Часто используется параметр ω — круговая частота. Она равна числу колебаний на протяжении 2π секунд:

Вычисление круговой частоты

Скорость распространения волн в веществе зависит от свойств конкретного вещества. Ее определение осуществляется с помощью формулы:

Определение скорости

Виды волн

ЭМВ различаются по длине, частоте и поляризации. Основным показателем классификации является длина. Исходя из нее, выделяют такие виды электромагнитных волн:

• Видимый свет воспринимается человеческим глазом. У световых волн длина короткая и составляет 380–780 нм.
• Радиоволны излучаются с большой длиной — от 5*10^-5 м.
• Инфракрасные волны по длине находятся между радиоволнами и видимым светом.
• Ультрафиолет считается вредным для живых организмов.
• Рентгеновское излучение широко применяется в медицине. Называется так по имени немецкого ученого В. К. Рентгена (1845-1923 г. г.), который в 1895 году открыл его.
• Гамма-излучение имеет самую короткую длину волны и является самым опасным для человека. Впервые его обнаружил французский химик П. У. Виллар (1860–1934 г. г.), изучавший свойства радия.

Все типы известных сегодня электромагнитных волн с помощью уравнений Максвелла характеризуются универсальными параметрами: длиной волны, частотой, периодом. Структура электромагнитной волны включает электрическую и магнитную составляющие, которые зависят от мощности излучателя. На сегодняшний день все известные электромагнитные волны излучаются в диапазонах, которые можно отобразить с помощью шкалы, соответствующей либо длине волны (диапазону), либо частоте. Один из вариантов такой шкалы представлен на картинке ниже.

Шкала ЭМВ

Условия возникновения

Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, поэтому излучается только при наличии движущихся заряженных частиц. Если заряд перемещается (колеблется) с большим ускорением, то ЭМП отрывается от него и начинает существовать в виде самостоятельно распространяющихся ЭМВ. Интенсивность излучения будет тем больше, чем больше ускорение. Следовательно, главное условие образования волны — наличие электрического заряда, движущегося очень быстро и с большим ускорением. Соблюдение данного условия обеспечивает генератор электромагнитных волн. Он представляет собой открытый колебательный контур. Первым такую конструкцию разработал Г. Р. Герц.

Электромагнитные волны могут распространяться самостоятельно, хотя их появление и связано с колебаниями заряда. Чтобы не произошло впоследствии с зарядом-источником, сигнал с информацией об этом не сможет догнать уходящую волну, ведь скорость этого сигнала будет не больше скорости света. Именно это обстоятельство позволяет рассматривать ЭМВ как самостоятельные физические явления существующие наряду с зарядами, которые их порождают.

Видео по теме