Механічні хвилі поширюються тільки в пружних середовищах: газі, рідини або твердому тілі. Існують, однак, хвилі, які не потребують будь-якому речовині для свого поширення. Це електромагнітні хвилі. До них, зокрема, відносяться радіохвилі і світло. Електромагнітне поле може існувати у вакуумі, т. Е. В просторі, що не містить атомів. Незважаючи на істотну відмінність електромагнітних хвиль від механічних, електромагнітні хвилі при поширенні поводяться подібно механічним.
Що таке електромагнітна хвиля
Поширення електромагнітних взаємодій. Фундаментальні закони природи, до числа яких відносяться і відкриті Максвеллом закони електромагнетизму, чудові тим, що вони можуть дати набагато більше, ніж укладено в тих фактах, на основі яких вони отримані.
Серед незліченних, дуже цікавих і важливих наслідків, що випливають з максвелловскую законів електромагнетизму, одне заслуговує на особливу увагу. Це висновок про те, що електромагнітне взаємодія поширюється з кінцевою швидкістю.
Відповідно до теорії дальнодействия кулоновская сила, що діє на електричний заряд, відразу ж зміниться, якщо сусідній заряд зрушити з місця. Дія, за цією теорією, передається миттєво. З точки зору цієї гіпотези інакше і бути не може: адже один заряд безпосередньо через порожнечу «відчуває» присутність іншого.
Згідно ж поданням про близкодействии все відбувається не тільки абсолютно інакше, але і набагато складніше. Переміщення заряду змінює електричне поле поблизу нього. Це змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле в сусідніх областях простору. Змінна ж магнітне поле, в свою чергу, породжує змінне електричне поле і т. Д.
Переміщення заряду викликає, таким чином, «обурення» електромагнітного поля, яке, поширюючись, охоплює всі великі і великі області навколишнього простору, змінюючи то поле, яке існувало до зміщення заряду. Нарешті, це «обурення» досягає іншого заряду, що і призводить до зміни чинної на нього сили. Але станеться це не в той момент часу, коли відбувся зсув першого заряду. Процес поширення електромагнітного обурення, механізм якого був відкритий Максвеллом, відбувається з кінцевою, хоча і дуже великий, швидкістю. В цьому і полягає фундаментальне властивість поля, яке не залишає сумнівів в його реальності.
Максвелл математично довів, що швидкість поширення цього процесу ( «обурення» електромагнітного поля) дорівнює швидкості світла у вакуумі.
Електромагнітна хвиля. Уявіть собі, що електричний заряд не просто змістився з однієї точки в іншу, а був приведений в швидкі коливання уздовж деякої прямої. Заряд рухається подібно тілу, підвішеному на пружині, але тільки коливання його відбуваються зі значно більшою частотою. Тоді електричне поле в безпосередній близькості від заряду почне періодично змінюватися. Період цих змін, очевидно, буде дорівнює періоду коливань заряду. Змінне електричне поле породжуватиме періодично змінне магнітне поле, а воно, у свою чергу, викличе появу змінного електричного поля вже на більшій відстані від заряду і т. Д.
У навколишньому заряд просторі, захоплюючи все більші й більші області, виникає система взаємно перпендикулярних, періодично змінюються електричних і магнітних полів. На малюнку 7.1 зображений «миттєвий знімок» такої системи полів на великій відстані від коливного заряду.
На цьому малюнку показані вектори і в різних точках простору. Напрямок Z - один із напрямів поширення електромагнітних обурень.
Утворюється так звана електромагнітна хвиля. біжить по усіх напрямках від коливного заряду.
У кожній точці простору електричні і магнітні поля змінюються в часі періодично. Чим далі розташована точка від заряду, тим пізніше досягнутий її коливання векторів і. Отже, на різних відстанях від заряду коливання кожного з цих векторів відбуваються з різними фазами.
Коливання векторів і в будь-якій точці збігаються по фазі. Найкоротша відстань між двома найближчими точками, в яких коливання відбуваються в однакових фазах, є довжина хвилі λ. В даний момент часу вектори і змінюються в просторі по осі Z за законом синуса з періодом λ.
Напрямки цих двох коливних векторів - напруженості електричного поля і індукції магнітного поля - перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі. Електромагнітна хвиля є поперечною.
Таким чином, вектори і в електромагнітній хвилі перпендикулярні один до одного і перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі. Якщо обертати буравчик з правого нарізкою від вектора до вектора, то поступальне переміщення свердлика буде співпадати з напрямом вектора швидкості хвилі (див. Рис. 7.1).
Випромінювання електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі випромінюються хитаються зарядами. При цьому істотно, що швидкість руху таких зарядів змінюється з часом, т. Е. Що вони рухаються з прискоренням. Наявність прискорення у рухомих зарядів - головна умова випромінювання ними електромагнітних хвиль.
Електромагнітне поле випромінюється помітним чином не тільки при коливаннях заряду, але і при будь-якому досить швидкій зміні його швидкості. Інтенсивність випромінюваної хвилі тим більше, чим більше прискорення, з яким рухається заряд.
Наочно це можна уявити собі так. При русі зарядженої частинки з постійною швидкістю створені нею електричне та магнітне поля, подібно майорить шлейфу, супроводжують частку. При прискоренні частки виявляється притаманна електромагнітного поля інертність. Поле «відривається» від частки і починає самостійне існування у формі електромагнітних хвиль.
Енергія електромагнітного поля хвилі в будь-який фіксований момент часу змінюється періодично в просторі, разом зі зміною векторів і. Та, що біжить хвиля несе з собою енергію, що переміщається зі швидкістю вздовж напрямку поширення хвилі. В результаті цього енергія, що переноситься електромагнітною хвилею в будь-якій точці простору, змінюється періодично з часом.
Максвелл був глибоко переконаний в реальності електромагнітних хвиль. Але він не дожив до їх експериментального виявлення. Лише через 10 років після його смерті електромагнітні хвилі були експериментально отримані Г. Герцем.
Електромагнітні хвилі виникають через те, що змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле. Це змінне магнітне поле, в свою чергу, породжує змінне електричне поле. Електромагнітна хвиля переносить енергію.
Питання до параграфу
1. Як орієнтовані вектори, і по відношенню один до одного в електромагнітній хвилі?
2. Як повинна рухатися частка, щоб вона випромінювала електромагнітні хвилі?