ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ СВОЙСТВА
ELECTROMAGNETIC WAVES AND THEIR PROPERTIES
Мерзликина О.Н., Френкель Е.Н.
Военный институт материального обеспечения
Вольск, Саратовская обл., Россия
Введение
Вокруг нас существует сложный мир электромагнитных полей: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, СВЧ-печей, телевизоров, других электробытовых приборов... Все эти изобретения стали возможными благодаря предсказаниям Максвелла [6], который смог увидеть связь между электромагнетизмом, открытым Фарадеем [8], и светом. В 1873 году вышла двухтомная работа Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». В трактате подведён итог развитию учения об электрических и магнитных явлениях, создана единая теория электромагнитного излучения и учение о свете как электромагнитных волнах.
Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет - это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.
Открытие электромагнитных волн - замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нём видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства - электричество и магнетизм, - обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления - электромагнитного взаимодействия.
На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия [10], которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и объединяющая теория - квантовая хромодинамика [4] - которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия.
Всё вышеизложенное подтверждает актуальность данной темы.
1. Понятие «волна»
Для того, что лучше понять сущность и свойства электромагнитных волн, кратко ознакомимся с понятием «волна».
Волна - изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».
Перенос энергии - принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии (рис.1).
Рис. 1 - Отличие колебания от волны
Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»). В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.
Важнейшей характеристикой волны является её скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.
При распространении механической волны движение передаётся от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии.
Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания, например, начала шнура, струны и т.д., и распространяется вместе с волной. Так, волны расходятся от камня, брошенного в пруд, и представляют собой колебания уровня воды, расходящиеся от места падения концентрическими кругами.
Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук тоже является волной - колебаниями давления воздуха, распространяющимися во все стороны от источника звука, например, свистка. То есть большинство волн - это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).
Однако, имеются волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. 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, 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.
2. Электромагнитные волны и их свойства
2.1 Электромагнитные волны
Электромагнитные волны представляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.
Как уже было отмечено выше, существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Он проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он ввёл в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.: всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.
Была высказана гипотеза о существовании и обратного процесса: изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Максвелл впервые описывал динамику новой формы материи - электромагнитного поля, и вывел систему уравнений (уравнений Максвелла), связывающую характеристики электромагнитного поля с его источниками - электрическими зарядами и токами. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей.
Рисунок 2, а и б иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.
Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчёта. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчёта, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчёта и порождать в этой системе отсчёта, кроме электрического, ещё и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.
Рис. 2 - Взаимное превращение электрического и магнитного полей: а) Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла; б) Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле
Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис. 3. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.
Рис. 3 - Процесс распространения электромагнитного поля
Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на её основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т.е. систему уравнений электромагнитного поля.
Итак, из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов - основных свойств электромагнитных волн.
Существуют электромагнитные волны, т.е. распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.
В природе электрические и магнитные явления выступают как две стороны единого процесса.
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. Наличие ускорения - главное условие излучения электромагнитных волн, т.е.
- всякое изменение магнитного поля создаёт в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис. 2,а).
- всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряжённости переменного электрического поля, и охватывают их (рис. 2,б).
Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором «правый винт».
Электромагнитные волны поперечны - векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 4).
электромагнитная волна максвелл
Рис. 4 - Поперечные электромагнитные волны
Периодические изменения электрического поля (вектора напряжённости Е) порождают изменяющееся магнитное поле (вектор индукции В), которое в свою очередь порождает изменяющееся электрическое поле. Колебания векторов Е и В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны (вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми.
Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, и это ещё раз подтвердило справедливость теории близкодействия.
Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.
Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях и твёрдых средах, но и в вакууме.
Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.
Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет собой непрерывное поглощение и переизлучение электромагнитной энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости волны.
Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 4), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Дt через площадку протечёт энергия ДWэм, равная
ДWэм = (wэ + wм)хSДt.
При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.
Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено резонансным поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.
Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).
Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и другие явления.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила
Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа.