В чем заключается свойство поперечности электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн: поперечность, синфазность колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей.

Поперечность. электромагнитные волны являются поперечными.

Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического и индукции магнитного полей.

Возможность существования электромагнитных волн обусловлена тем, что существует связь между переменными электрическим и магнитным полями. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Существует и обратное явление: переменное во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Электромагнитные волны в зависимости от длины волны (или частоты колебаний ) разделены условно на следующие основные диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр, ультрафиолетовые волны и гамма — лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с веществом.

Несмотря на то, что свойства электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений Максвелла. Величины и в электромагнитной волне в простейшем случае меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении Z, являются:

где — циклическая частота, -частота, — волновое число, начальная фаза колебаний.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности переменного электрического и индукции переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости распространения волны. Векторы , и образуют правовинтовую систему: из конца вектора поворот от к на наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 1).

На рис. 2 показано распределение векторов и электромагнитной волны вдоль оси OZ в данный момент времени t.

Из формулы (1) следует, что вектора и в электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е. они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.

Основываясь на том, что электромагнитная волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с определенной ориентацией векторов и в пространстве.

Энергия электромагнитных волн.

Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

Работа по созданию магнитного потока имеет вид

Энергия магнитного поля связана с контуром .

Вектор Пойнтинга.

Пойнтинга вектор, вектор плотности потока электромагнитной энергии. Назван по имени английского физика Дж. Г. Пойнтинга (J. Н. Poynting; 1852—1914). Модуль П. в. равен энергии, переносимой за единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения электромагнитной энергии (т. е. к направлению П. в.). В абсолютной системе единиц (Гаусса) П [EH], где [EH] — векторное произведение напряжённостей электрического Е и магнитного Н полей, с — скорость света в вакууме; в СИ П = [Eh]. Поток П. в. через замкнутую поверхность, ограничивающую систему заряженных частиц, даёт величину энергии, теряемой системой за единицу времени вследствие излучения электромагнитных волн (см. Максвелла уравнения). Плотность импульса электромагнитного поля (выражается через П. в.: g = П.

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны широко используются в Природе и технике. Природа использует электромагнитные волны светового диапазона, в технике используются волны гораздо более широкого диапазона – от сверхдлинных радиоволн до волн терагерцового диапазона и короче. Рассмотрим основные свойства электромагнитных волн.

Электромагнитная волна

Заряды, движущиеся с ускорением, распространяют вокруг себя изменение электрического поля, которое порождает изменяющееся вихревое магнитное поле. В свою очередь, изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, а это электрическое поле – вновь порождает вихревое магнитное.

Такая распространяющаяся в пространстве структура взаимоподдерживающихся вихревых электрического и магнитного полей называется электромагнитной волной.

Интенсивность поля, порождаемого самим зарядом, очень быстро убывает по мере удаления (пропорционально квадрату расстояния). А мощность электромагнитной волны, за счет своей структуры убывает гораздо медленнее (прямо пропорционально расстоянию). В результате на больших расстояниях от движущихся зарядов можно зафиксировать только порожденную ими электромагнитную волну.

Общие свойства электромагнитных волн

Электромагнитная волна, как и любой другой волновой процесс, демонстрирует все свойства волнового процесса – поглощение, отражение, преломление, интерференцию.

Для изучения этих свойств электромагнитных волн используются радиоволны с длиной волны порядка нескольких сантиметров и две рупорные антенны. Одна из них генерирует радиоволну, вторая – принимает. По пути распространения ставятся различные препятствия, по-разному влияющие на передачу радиоволны. Например, простое перекрытие пути волны различными ширмами ослабляет принятый сигнал, поглощая энергию радиоволн.

Металлическая ширма практически полностью блокирует радиоволны, отражая их, поэтому ее и рупоры можно расположить так, чтобы сигнал выходил из одного рупора, отражался от ширмы и попадал в другой рупор. Удаление такой ширмы приводит к пропаданию сигнала.

Большая призма из диэлектрика (например, парафина) преломляет ход волн, это также можно отметить в данном эксперименте, расположив рупоры под углом.

Наконец, если рупоры перекрывать сеткой из вертикальных или горизонтальных стержней – можно убедиться в поперечности электромагнитных волн – передача будет возможна лишь только тогда, когда сетки на приемном и передающем рупоре расположены одинаково.

Шкала электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн заметно меняются с изменением длины электромагнитной волны. Поэтому весь диапазон электромагнитных волн условно разбит на ряд поддиапазонов, каждый из которых обладает некоторыми индивидуальными особенностями, обуславливающие его применение в технике.

Что мы узнали?

Электромагнитная волна представляет собой структуру распространяющихся вихревых электрического и магнитного полей. Как волновой процесс, электромагнитная волна обладает всеми свойствами волны – она способна поглощаться, отражаться, преломляться, интерферировать. Также весь диапазон электромагнитных волн условно разделен на несколько поддиапазонов с различающимися индивидуальными свойствами.

Свойства электромагнитных волн

Существование электромагнитных волн следует из уравнений Максвелла, которые были сформулированы им еще в 1865 году на основании экспериментальных законов, описывающих электрические и магнитные явления. Из предложенной ученым теории следует, что все электромагнитные волны, в том числе и волны света обладают общей природой.

Источником электромагнитных волн может служить всякий электрический контур или проводник с текущим по нему переменным электрическим током. Для того чтобы возбудить электромагнитные волны, следует иметь изменяющееся электрическое или магнитное поле.

Определение 1

Переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве с ограниченной скоростью, называют электромагнитной волной.

Статья: Свойства электромагнитных волн

Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Волновой характер распространения электромагнитного поля

То, что электромагнитное поле распространяется в виде волны, следует из уравнений Максвелла. Пусть поле распространяется в диэлектрике, это означает, что сила токов проводимости равно нулю. Расположим некоторую площадку $ S $ перпендикулярно линиям магнитной индукции $B$ ⃗, тогда магнитный поток сквозь избранную площадку равен:

$Ф=BS=μ_r μ_0 SH (1)$, где:

• $ μ_r$ – магнитная проницаемость вещества, в котором распространяется поле;
• $μ_0$ – магнитная постоянная;
• $H$ – напряженность магнитного поля.

Уравнения Максвелла в таком случае запишем как:

Выделим в плоскости $ZOX$ (рис.1) очень маленький прямоугольный контур 1-2-3-4. Площадь, которую охватывает заданный контур, равна $dxdy$.

Рисунок 1. Плоскость $ZOX$. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

«Свойства электромагнитных волн» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Помощь с рефератом от нейросети

На участках 1-2 и 3-4 имеем:

Мы видим, что циркуляция вектора напряженности электрического поля по избранному нами контуру составляет:

Принимая во внимание полученные результаты, из второго уравнения системы (2) получим, что:

Рассматривая элементарный прямоугольный контур (3-6-5-4-3) на плоскости $XOY$ рис.1, видим, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль этого контура :

Из первого уравнения системы (2) имеем:

Дифференцирование уравнения (7) по координате $x$, а уравнения (9) по $t$, дает нам:

Сравнивая уравнения (10) и (11) видим, что:

Уравнения (12) и есть уравнения волны. Для плоской электромагнитной волны решением уравнений (12) станет выражение:

Аналогичное по форме уравнение для напряженности магнитного поля:

Скорость распространения электромагнитной волны

Если сравнить уравнение (13) с волновым уравнением (12) легко увидеть, что электромагнитная волна в веществе распространяется со скоростью равной:

где $c=\frac>_0<\mu<>>_0>>$) – скорость света в вакууме.

В вакууме (при $ε_0$ =1; $ μ_0=$1) скорость распространения электромагнитных волн будет совпадать со скоростью света.

Поскольку $ ε_r μ_r>1$, то скорость распространения электромагнитной волны в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

Свойство поперечности электромагнитных волн

Теория Максвелла показывает, что векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и находятся, в свою очередь, в плоскости, которая расположена перпендикулярно вектору скорости распространения волны. Поскольку векторы напряженностей полей перпендикулярны вектору скорости, то электромагнитные волны являются поперечными.

Кроме этого векторы $\vec,\ \vec,\ \vec$ составляют правый винт.

Уравнения Максвелла говорят нам о том, что в электромагнитной волне $\vec$ и $ \vec $ всегда совершают колебания в одной фазе. Мгновенные значения напряженности электрического и магнитного полей, связывает равенство:

Из уравнения (16) очевидно, что напряженности обоих полей максимальны и минимальны одновременно.

Энергетические параметры, характеризующие электромагнитную волну

Объемную плотность энергии электромагнитного поля можно определить как сумму объемных плотностей этих полей:

Учитывая равенство (16), получим:

Интенсивность волны (плотность потока энергии) будет равна:

Или эквивалентная выражению (20) формула:

где $ E , H$ — средние по времени величины модуля напряженностей.

Примеры применения электромагнитных волн

1. Первым применение электромагнитных волн продемонстрировал А.С. Попов, изобретя радиоприемник. Он показал возможность использования электромагнитных волн для связи без проводов.
2. Электромагнитные волны могут отражаться от препятствий, что применяется в радиолокации.
3. Электромагнитные волны способны дифрагировать (огибать препятствия). Это свойство радиоволн позволяет организовать устойчивую связь между удаленными объектами, которые разделяет выпуклость Земли.
4. Длинные волны используют в фототелеграфии, короткие – в телевидении.
5. Электромагнитные волны применяют в радио геодезии для точного определения расстояний.
6. В астрономии электромагнитные волны используют для исследований небесных тел.
7. Физиотерапевтические методы, которые основаны на использовании электромагнитных волн СВЧ — диапазона имеют названия: микроволновая терапия и терапия дециметровыми волнами (ДЦВ – терапия). Наиболее разработанной в настоящее время является теория о тепловом действии СВЧ – полей на биологические объекты.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

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 волныпредставляют 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.

Рис. 2 – Взаимное превращение электрического и магнитного полей:

а) Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла;

б) Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

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.

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 и 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 какдве 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).

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 Еи 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 Δt через площадку протечёт энергия ΔWэм, равная

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

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 дифракцияволн, рассеяниеволн 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.

Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены выдающимся физиком Московского университета П.Н. Лебедевым в 1900 г. [5]. Обнаружение столь малого эффекта потребовало от него незаурядной изобретательности и мастерства в постановке и проведении эксперимента. В 1900 г. ему удалось измерить световое давление на твёрдые тела, а в 1910 г. – на газы. Основную часть прибора П.Н. Лебедева для измерения давления света составляли лёгкие диски диаметром 5 мм, подвешиваемые на упругой нити (рис. 5) внутри откачанного сосуда.

Рис. 5 – Эксперимент П.Н. Лебедева

Диски изготавливались из различных металлов, и их можно было заменять при проведении экспериментов. На диски направлялся свет от сильной электрической дуги. В результате воздействия света на диски нить закручивалась, и диски отклонялись. Результаты опытов П.Н. Лебедева полностью согласовывались с электромагнитной теорией Максвелла и имели огромное значение для её утверждения.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объёме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Так как давление световой волны очень мало, то оно не играет существенной роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Но в противоположных по масштабам космических и микроскопических системах роль этого эффекта резко возрастает. Так, гравитационное притяжение внешних слоёв вещества каждой звезды к центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу. В микромире давление света проявляется, например, в явлении световой отдачи атома. Её испытывает возбужденный атом при излучении им света.

Световое давление играет значительную роль в астрофизических явлениях, в частности, в образовании кометных хвостов, звёзд и т.д. Световое давление достигает значительной величины в местах фокусировки излучения мощных квантовых генераторов света (лазеров). Так, давление сфокусированного лазерного излучения на поверхность тонкой металлической пластинки может привести к её пробою, то есть к появлению отверстия в пластинке. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

2.2 Открытие электромагнитных волн

Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца [3] в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла.

Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, используя два металлических стержня с шарами на концах, разделённых искровым промежутком. Эти стержни обладают определённой индуктивностью и электроёмкостью и представляют собой излучающий электрический колебательный контур-вибратор (вибратор Герца) [2]. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно.

Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах – резонатор, Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создаёт электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отражённой от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну.

Вибратор Герца имел длину от 2,5 м до 1 м, что соответствовало волнам длиной от 5 до 2 м, то есть полученные Герцем волны в миллион раз превосходили по длине световые волны. В 1895 г. П.Н. Лебедев, пользуясь миниатюрными вибраторами, получил электромагнитные волны длиной около 2 –6 мм.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц».

2.3 Шкала электромагнитных волн

Излучение электромагнитных волн происходит в широком диапазоне частот или длин волн [9].

Радиоволны и некоторые рентгеновские лучи излучаются при ускорении или замедлении свободных электронов, например, при столкновениях.

Все остальные виды электромагнитных волн возникают при переходах электронов между электронными оболочкамивнутри атомов.

Поглощение электромагнитных волн вызывает увеличение температуры среды, что приводит к инфракрасному излучению.

Гамма-лучи излучаются радиоактивными веществами (рис. 6).

Рис. 6 – Виды излучения электромагнитных волн

Во многих случаях электромагнитные волны излучаются не непрерывно, а как последовательность импульсов, называемых фотонами.

Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и др. областях науки и техники.

Заключение

В работе были рассмотрены такие вопросы как понятие волн, электромагнитных волн и их экспериментальное обнаружение, свойства электромагнитных волн, шкала электромагнитных волн.

Электромагнитными волнами называется процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж.К. Максвеллом. Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда [11]), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Максвелл создал теорию электромагнитных волн. На основе своих уравнений он пришел к выводу, что в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.

Таким образом, ускоренное движение электрических зарядов приводит к возникновению электромагнитных волн – взаимосвязанным изменениям электрического и магнитного полей. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.

— электромагнитная волна является поперечной, так как векторы напряжённость электрического поля и напряженность магнитного поля перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию;

— электромагнитные волны, как и другие волны, переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся электрическом и магнитном полях;

— электромагнитная волна должна обладать импульсом, а поэтому оказывать давление на тела.

Впервые опыты с электромагнитными волнами были осуществлены в 1888 г. Г. Герцем. С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приёмника он получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Дальнейшие исследования электромагнитных волн показали, что они обладают способностью испытывать отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и поляризацию.

Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А.С. Попову.

Значение теории Максвелла.

1. Показал, что электромагнитное поле – это совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных полей.

2. Предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся от точки к точке с конечной скоростью.

3. Показал, что световые волны являются электромагнитными волнами, и по своей физической природе ничем не отличается от других электромагнитных волн – радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.

4. Связал воедино электричество, магнетизм и оптику.

Список использованных источников

1. Ботаки, А.А. Физика [Электронный ресурс] : учебное пособие / А.А. Ботаки, Э.В. Поздеева, В.В. Ларионов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 120 с.

2. Вибратор Герца // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B0.

3. Герц, Генрих Рудольф // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86,_%D0%93%D0%B5%D0%BD%D1%80%D0%B8%D1%85_%D0%A0%D1%83%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%84.

4. Квантовая хромодинамика // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0.

5. Лебедев, Пётр Николаевич // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B1%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%B2,_%D0%9F%D1%91%D1%82%D1%80_%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87.

6. Максвелл, Джеймс Клерк // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%BB,_%D0%94%D0%B6%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D1%81_%D0%9A%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BA.

7. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.

8. Фарадей, Майкл // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D0%B9,_%D0%9C%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D0%BB.

9. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с. – С. 152–164.