Электромагнитные волны

 Образование электромагнитной волны

Мы уже имеем пред­став­ле­ние, что такое элек­тро­маг­нит­ное поле. Се­год­ня мы по­го­во­рим об элек­тро­маг­нит­ных вол­нах. Во­прос этот важ­ный, хотя бы по­то­му, что вся наша жизнь свя­за­на с те­ле­ви­де­ни­ем, с радио, с мо­биль­ной свя­зью, а ведь все это осу­ществ­ля­ет­ся за счет элек­тро­маг­нит­ных волн.

Мы уже го­во­ри­ли, что такое ме­ха­ни­че­ские волны, ка­ки­ми они бы­ва­ют: про­доль­ны­ми, по­пе­реч­ны­ми.

Как вы зна­е­те, вол­ной на­зы­ва­ет­ся рас­про­стра­ня­ю­ще­е­ся в про­стран­стве воз­му­ще­ние. Элек­тро­маг­нит­ная волна – это рас­про­стра­ня­ю­ще­е­ся в про­стран­стве элек­тро­маг­нит­ное поле. Мы знаем, что элек­тро­маг­нит­ным полем яв­ля­ет­ся вза­и­мо­связь элек­три­че­ских и маг­нит­ных полей. Так вот волна – это и есть рас­про­стра­ня­ю­ще­е­ся в про­стран­стве элек­тро­маг­нит­ное поле, элек­тро­маг­нит­ное воз­му­ще­ние.

Тео­рию элек­тро­маг­нит­ной волны и элек­тро­маг­нит­но­го поля впер­вые со­здал ан­глий­ский уче­ный Макс­велл. Он по­ка­зал, что элек­три­че­ские и маг­нит­ные поля су­ще­ству­ют вме­сте. Но, ока­зы­ва­ет­ся, они могут су­ще­ство­вать со­вер­шен­но изо­ли­ро­ван­но от ка­ко­го-ли­бо ве­ще­ства. Вспом­ни­те, зву­ко­вые волны могут быть толь­ко там, где есть среда. Во­об­ще, ме­ха­ни­че­ские волны могут су­ще­ство­вать толь­ко там, где есть ве­ще­ство, т.е. ко­ле­ба­ния, ко­то­рые про­ис­хо­дят с ча­сти­ца­ми, могут пе­ре­да­вать­ся там, где есть ча­сти­цы, спо­соб­ные пе­ре­да­вать это воз­му­ще­ние. Что ка­са­ет­ся элек­тро­маг­нит­но­го поля, то оно может су­ще­ство­вать даже там, где этого ве­ще­ства нет, где нет ни­ка­ких ча­стиц.

Итак, элек­тро­маг­нит­ное поле су­ще­ству­ет в ва­ку­у­ме, зна­чит, если мы со­зда­дим опре­де­лен­ные усло­вия и смо­жем со­здать общее элек­тро­маг­нит­ное воз­му­ще­ние в про­стран­стве, то это воз­му­ще­ние может рас­про­стра­нять­ся по всем на­прав­ле­ни­ям, имен­но это и будет элек­тро­маг­нит­ная волна.

 Опыт Герца

Пер­вым че­ло­ве­ком, ко­то­ро­му уда­лось про­из­ве­сти из­лу­че­ние элек­тро­маг­нит­ной волны и прием элек­тро­маг­нит­ной волны, был немец­кий уче­ный Г. Герц. Ему пер­во­му уда­лось со­здать такую уста­нов­ку по из­лу­че­нию и при­е­му элек­тро­маг­нит­ной волны. Какие же прин­ци­пы ле­жа­ли в ос­но­ве его экс­пе­ри­мен­та?

Для из­лу­че­ния элек­тро­маг­нит­ной волны тре­бу­ет­ся до­ста­точ­но быст­ро и уско­рен­но дви­жу­щий­ся элек­три­че­ский заряд. Г. Герц в своих опы­тах уста­но­вил: чтобы по­лу­чить до­воль­но ощу­ти­мую элек­тро­маг­нит­ную волну, дви­жу­щий­ся элек­три­че­ский заряд дол­жен осу­ществ­лять ко­ле­ба­ния с вы­со­кой ча­сто­той, по­ряд­ка несколь­ких де­сят­ков тысяч герц. Если такое ко­ле­ба­ние про­ис­хо­дит, то во­круг этого за­ря­да будет фор­ми­ро­вать­ся пе­ре­мен­ное элек­тро­маг­нит­ное поле и рас­про­стра­нять­ся во все сто­ро­ны. Это и будет элек­тро­маг­нит­ная волна.

 Скорость волны. Поперечность волны

Кроме того, элек­тро­маг­нит­ная волна об­ла­да­ет опре­де­лен­ны­ми свой­ства­ми. Эти свой­ства как раз и были ука­за­ны в ра­бо­те Макс­вел­ла. Во-пер­вых, элек­тро­маг­нит­ная волна рас­про­стра­ня­ет­ся со ско­ро­стью, ко­то­рую мы при­вык­ли на­зы­вать ско­рость света. Эта ско­рость (мы будем ее на­зы­вать ско­рость элек­тро­маг­нит­ной волны) со­став­ля­ет 300000 км/с.

Еще один факт: элек­тро­маг­нит­ная волна – по­пе­реч­ная.

Рис. 1. По­пе­реч­ная элек­тро­маг­нит­ная волна

Если есть ис­точ­ник элек­тро­маг­нит­ных волн (это любой ко­леб­лю­щий­ся с вы­со­кой ча­сто­той заряд), то во­круг него фор­ми­ру­ет­ся элек­тро­маг­нит­ное поле , то, по Макс­вел­лу, во­круг пе­ре­мен­но­го маг­нит­но­го поля об­ра­зу­ет­ся вих­ре­вое элек­три­че­ское. Ха­рак­те­ри­сти­кой элек­три­че­ско­го поля яв­ля­ет­ся на­пря­жен­ность элек­три­че­ско­го поля. Она обо­зна­ча­ет­ся бук­вой , это тоже век­тор­ная ве­ли­чи­на, а еди­ни­цей из­ме­ре­ния на­пря­жен­но­сти яв­ля­ет­ся -[].

С дру­гой сто­ро­ны, если мы рас­смот­рим из­ме­ня­ю­ще­е­ся, вих­ре­вое элек­три­че­ское поле, то во­круг этого поля фор­ми­ру­ет­ся вих­ре­вое маг­нит­ное с ха­рак­те­ри­сти­кой маг­нит­ной ин­дук­ци­ей .

Вы ви­ди­те, что линии маг­нит­ной ин­дук­ции и линии си­ло­вые элек­три­че­ско­го поля вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ны. Это вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ное рас­по­ло­же­ние ха­рак­те­ри­стик маг­нит­но­го и элек­три­че­ско­го полей; на­пря­жен­но­сти и ин­дук­ции маг­нит­но­го поля го­во­рит нам о том, что элек­тро­маг­нит­ная волна яв­ля­ет­ся по­пе­реч­ной.

 Шкала электромагнитных волн

Необ­хо­ди­мо от­ме­тить, что все элек­тро­маг­нит­ные волны све­де­ны в одну шкалу в за­ви­си­мо­сти от их ча­сто­ты.

Рис. 2. Шкала элек­тро­маг­нит­ных волн

Каж­дый из этих диа­па­зо­нов со­от­вет­ству­ю­щим об­ра­зом ис­поль­зу­ет­ся в тех­ни­ке. Самые рас­про­стра­нен­ные при­ме­ры – ТВ, радио, мо­биль­ная связь.