§ 14. Електромагнітні хвилі і їх властивості

Прискорений рух електричних зарядів призводить до виникнення електромагнітних хвиль - взаємопов'язаним змін електричного і магнітного полів.

Хвилями називають коливання, що поширюються в просторі з плином часу. Хвилі переносять різні види енергії з однієї точки простору в іншу, проте, при цьому не відбувається перенесення речовини. Так, хвилі розходяться від каменя, кинутого в ставок, і являють собою коливання рівня води, що розходяться від місця падіння концентричними колами. Звук теж є хвилею - коливаннями тиску повітря, що поширюються на всі боки від джерела звуку, наприклад, свистка.

Коливальні переміщення електричного заряду теж викликають хвилі змін електричного і магнітного полів. Дійсно, ці коливання заряду спочатку приведуть до періодичних змін електричного поля навколо, які в свою чергу, відповідно до гіпотези Максвелла (див. §7), спричинять появу змінного магнітного поля тієї ж частоти. При цьому виникло магнітне поле буде виходити за межі породили його коливань електричного заряду. Потім, змінюється магнітне поле за законом електромагнітної індукції викличе електричне ще на більшій відстані від коливного заряду і т.д. Таким чином, коливальні переміщення електричного заряду призводять до виникнення поширюються в просторі хвиль коливань електричного і магнітного полів. Такі хвилі називають електромагнітними.

Існування електромагнітних хвиль було теоретично передбачене англійським фізиком Дж. Максвеллом, який вивів систему рівнянь, що зв'язує характеристики електромагнітного поля з його джерелами - електричними зарядами і струмами. З теорії Максвелла випливало кілька важливих висновків. По-перше, е лектромагнітн а хвиль а є поперечної, так як вектор її вектор напруженості електричного поля E і вектор магнітної індукції B перпендикулярні один одному і лежать в площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі (рис. 14). По-друге, електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю, і це ще раз підтвердило справедливість теорії близкодействия. По-третє, е лектромагнітние хвилі можуть порушуватися лише прискорено рухомими зарядами. При рівномірному русі зарядів електромагнітне поле, як шлейф, тільки супроводжує їх, однак, при прискоренні частина цього поля відривається від рухомих зарядів і існує у вигляді електромагнітних хвиль.

Періодичні зміни Е і B, що відбуваються при поширенні електромагнітної хвилі зі швидкістю з уздовж осі z, можна описати наступним чином, якщо вважати, що в кожній точці простору ці зміни з часом t є гармонійними коливаннями постійної амплітуди Е 0 і B 0, відповідно. Нехай зміни Е y і B x в точці z = 0 відбуваються за формулами Е y = Е 0sin (wt), а B x = - B 0 sin (wt). Ці зміни Е y і B x, передаючись від шару до шару, утворюють електромагнітну хвилю, що поширюється уздовж осі z. У точці, що знаходиться на відстані z від початку координат, зміни Е y і B x теж будуть гармонійними, відстаючи на час t, необхідне для проходження хвилею відстані z: t = z / c, де c - швидкість поширення хвилі, що дорівнює в вакуумі 3.108 м / с і звана швидкістю світла. Тому зміни Е y і B x в точці z можна отримати з виразів:

Якщо одночасно виміряти Е y і B x в різних точках вздовж осі z і побудувати відповідний графік (див. Рис.14), то він виявиться синусоїдою, і через відстань, рівну , Значення Е y і B x будуть повторюватися. Відстань l між двома найближчими точками хвилі , Що хитаються в однаковій фазі , Називають довжиною хвилі, яку також можна обчислити за формулою де Т - період електромагнітних коливань.

Питання для повторення:

· Що таке електромагнітні хвилі?

· Як орієнтовані по відношенню один до одного вектора с, Е і В?

· Що називають довжиною хвилі?

Мал. 14. Залежність значень Е y і B x від координати z в електромагнітній хвилі розповсюджується вздовж осі z зі швидкістю c.