§ 14. Электромагнитные волны и их свойства

Волнами называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Волны переносят различные виды энергии из одной точки пространства в другую, однако, при этом не происходит перенос вещества. Так, волны расходятся от камня, брошенного в пруд, и представляют собой колебания уровня воды, расходящиеся от места падения концентрическими кругами. Звук тоже является волной – колебаниями давления воздуха, распространяющимися во все стороны от источника звука, например, свистка.

Колебательные перемещения электрического заряда тоже вызывают волны изменений электрического и магнитного полей. Действительно, эти колебания заряда сначала приведут к периодическим изменениям электрического поля вокруг, которые в свою очередь, согласно гипотезе Максвелла (см. §7), вызовут появление переменного магнитного поля той же частоты. При этом возникшее магнитное поле будет выходить за пределы породивших его колебаний электрического заряда. Потом, изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызовет электрическое ещё на большем расстоянии от колеблющегося заряда и т.д. Таким образом, колебательные перемещения электрического заряда приводят к возникновению распространяющихся  в пространстве волн колебаний электрического и магнитного полей. Такие волны называют электромагнитными. 

 Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж. Максвеллом, который вывел систему уравнений, связывающую характеристики электромагнитного поля с его источниками - электрическими зарядами и токами. Из теории Максвелла следовало несколько важных выводов. Во-первых, электромагнитная волна является поперечной, так как вектор её вектор напряжённости электрического поля E и вектор магнитной индукции B перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 14). Во-вторых, электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, и это ещё раз подтвердило справедливость теории близкодействия. В-третьих, электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. При равномерном движении зарядов электромагнитное поле, как шлейф, только сопровождает их, однако, при ускорении часть этого поля отрывается от движущихся зарядов и существует в виде электромагнитных волн.

Периодические изменения Е и B, происходящие при распространении электромагнитной волны со скоростью с вдоль оси z, можно описать следующим образом, если считать, что в каждой точке пространства эти изменения со временем t являются гармоническими колебаниями постоянной амплитуды Е₀ и B₀, соответственно. Пусть изменения Е_y и B_x в точке z = 0 происходят по формулам Е_y = Е₀sin(wt), а B_x=-B₀sin(wt). Эти изменения Е_y и B_x , передаваясь от слоя к слою, образуют электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси z. В точке, находящейся на расстоянии z от начала координат, изменения Е_y и B_x тоже будут гармоническими, отставая на время t, необходимое для прохождения волной расстояния z: t = z/c, где c – скорость распространения волны, равная в вакууме 3^.10⁸ м/с и называемая скоростью света. Поэтому изменения Е_y и B_x в точке z можно получить из выражений:

 

Если одновременно измерить Е_y и B_x в различных точках вдоль оси z и построить соответствующий график (см. рис.14), то он окажется синусоидой, и через расстояние, равное , значения Е_y и B_x будут повторяться. Расстояние l между двумя ближайшими точками волны, колеблющимися в одинаковой фазе, называют длиной волны, которую также можно вычислить по формуле где Т – период электромагнитных колебаний.

Вопросы для повторения:

·        Что такое электромагнитные волны?

·        Как ориентированы по отношению друг к другу вектора с, Е и В?

·        Что называют длиной волны?

 

 

Рис. 14. Зависимость значений Е_y и B_x от координаты z в электромагнитной волне распространяющейся вдоль оси  z со скоростью c.