§ 14. Электромагнитные волны

1. Предсказание и открытие электромагнитных волн

Теория Максвелла

Дж. Максвелл (1831-1879)

Теорию электромагнитного поля построил английский учёный Дж. Максвелл, основываясь на результатах опытов Фарадея и других учёных. Эта теория получила название теории Максвелла.

При построении своей теории учёный предположил, что переменные электрическое и магнитное поля взаимно порождают друг друга, благодаря чему они могут распространяться в пространстве в виде волн.

Электромагнитная волна представляет собой распространяющиеся в пространстве взаимосвязанные друг с другом переменные электрическое и магнитное поля.

Вычислив скорость предсказанных им электромагнитных волн, Максвелл обнаружил, что она равна скорости света. Исходя из этого, учёный предположил, что свет — это электромагнитная волна.

Это предположение требовало пересмотра всей сложившейся к тому времени физической картины мира: ведь до этого электрические и магнитные явления не связывали с оптическими.

Однако, к сожалению, при жизни Максвелла подтвердить существование предсказанных им электромагнитных волн на опыте не удалось.

Опыт Герца

Существование электромагнитных волн подтвердил на опыте в конце 19-го века немецкий физик Г. Герц.

Он использовал два разделённых в пространстве проводящих незамкнутых контура с небольшими промежутками. В промежутке первого контура создавалась искра (источником высокого напряжения). Практически в тот же момент искра проскакивала и в промежутке второго контура!

Объяснить это можно было только распространением электромагнитной волны от первого контура ко второму.

Герц измерил скорость электромагнитных волн. Как и предсказывал Максвелл, она совпала со скоростью света!

Г. Герц (1857-1894)

2. Свойства электромагнитных волн

Поставленные Герцем опыты показали, что электромагнитные волны отражаются от препятствий и преломляются при переходе из одной среды в другую. Это было решающим подтверждением теории Максвелла.

Дальнейшие исследования подтвердили, что в соответствии с предсказанием теории Максвелла

электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами.

На рисунке 14.1 схематически изображены в некоторый момент времени переменные во времени и в пространстве напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси х.

Рис. 14.1

°1. Как направлены вектор напряжённости электрического поля и вектор магнитной индукции относительно направления распространения волны?

Ответ на поставленный выше вопрос объясняет, почему электромагнитную волну считают поперечной волной.

°2. Как направлены вектор напряжённости электрического поля и вектор магнитной индукции друг относительно друга?

Электромагнитные волны, в отличие от звуковых, могут распространяться не только в среде, но и в вакууме, где их скорость — около¹⁾ 300000 км/с.

Скорость света в вакууме — наибольшая возможная скорость. Её обозначают с. Скорость электромагнитных волн в среде меньше, чем в вакууме. Далее мы рассмотрим это подробнее.

°3. Докажите, что скорость света с, длина электромагнитной волны λ и её частота ν связаны соотношением

с = λν.

°4. Диапазон длин волн видимого света в вакууме — от 3,8 • 10^-7 м (фиолетовый цвет) до 7,6 • 10^-7 м (красный цвет). Каков диапазон частот видимого света?

Давление света

Электромагнитные волны обладают не только энергией, но и импульсом. Поэтому падающая на некоторую поверхность электромагнитная волна оказывает на неё давление, передавая ей импульс. Например, опыты и расчёты показывают, что давление солнечного света на зеркальную поверхность примерно в десять миллиардов раз меньше нормального атмосферного давления.

Русский физик Π. Н. Лебедев первым измерил давление света в следующем опыте.

На тонкой стеклянной нити учёный подвесил стержень с крылышками (рис. 14.2). Одна сторона крылышек была зачернена, а другая была зеркальной.

°5. На какую сторону крылышек давление света должно быть больше — на зачернённую или на зеркальную? Обоснуйте свой ответ.

Π. Н. Лебедев (1866-1912)

Рис. 14.2

¹⁾ Точное значение скорости света 299 792 458 м/с.

При освещении солнечным светом крылышки поворачивались — а это означало, что свет действительно оказывает различное давление на зеркальные и зачернённые стороны крылышек. По углу закручивания нити учёный измерил давление света. Полученный им результат явился ещё одним подтверждением теории Максвелла.

3. Практическое применение электромагнитных излучений и шкала электромагнитных волн

Электромагнитные излучения находят сегодня чрезвычайно широкое применение в науке, технике и в быту.

В приведённой ниже таблице указаны основные применения электромагнитных волн в зависимости от длины волны.

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Длина волны в вакууме (м)	Название волн	Способ образования в природе или получения в технике	Основные применения
Более 104	Волны от низкочастотных колебаний	Генераторы переменного тока различной частоты	Электротехника
От 10-1 до 104	Радиоволны	Генераторы электромагнитных колебаний	Радиотехника
От 10-3 до 10-1	Сверхвысокочастотные волны (СВЧ-волны)	Генераторы СВЧ-колебаний	Радиолокация, микроволновые печи
От 10-6 до 10-3	Инфракрасное излучение	Излучение молекул и атомов	Инфракрасная фотосъёмка, дистанционные пульты управления
От 4 • 10-7 до 8 • 10-7	Видимый свет	Излучение атомов	Зрение
От 10-9 до 10-7	Ультрафиолетовое излучение	Излучение атомов при столкновениях с быстрыми электронами	Обеззараживание в лечебных учреждениях, загар
От 10-12 до 10-9	Рентгеновское излучение	То же	Медицина (рентгеновские снимки), металлургия
Менее 10-12	Гамма-излучение	Излучение ядер атомов	Метод меченых атомов

°6. В каком диапазоне изменяется частота:

• а) радиоволн;
• б) ультрафиолетового излучения;
• в) рентгеновского излучения?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Базовый уровень

• 7. Какой (какие) из перечисленных ниже объектов согласно теории Максвелла излучает электромагнитные волны?
• а) Проводник, в котором течёт переменный ток.
• б) Проводник, в котором течёт постоянный ток.
• в) Заряд, движущийся с постоянной скоростью.
• г) Электрон, движущийся в электрическом поле.
• д) Покоящийся электромагнит, подключённый к источнику постоянного тока.
• е) Заряд, движущийся с ускорением.
• ж) Постоянный магнит, лежащий в равномерно движущемся автомобиле.
• з) Ион, движущийся в магнитном поле.

8. Какие из электромагнитных волн в приведённой выше таблице имеют: минимальную частоту; минимальную длину волны?

9. К какому диапазону относятся электромагнитные волны с частотой 3 • 10¹³ Гц?

Повышенный уровень

10. Электромагнитная волна распространяется вдоль оси z так, что вектор напряжённости электрического поля направлен параллельно оси y. Вдоль какой оси направлен вектор магнитной индукции этой волны?

11. После увеличения частоты электромагнитной волны в 3 раза длина волны уменьшилась на 2 см.

• а) Какова была первоначальная частота волны?
• б) К каким диапазонам электромагнитных волн относятся начальная и конечная волны?