Открытие электромагнитных волнСкорость распространения электромагнитных взаимодействий. Гипотеза Максвелла.

Экспериментальные исследования электро­магнитных колебаний в электрических цепях показали, что из­менения напряжения и силы тока передаются от одного участка электрической цепи к другому с исключительно большой ско­ростью — около 300000 км/с. Эта скорость во много раз больше скорости упорядоченного движения свободных электрических за­рядов в проводниках. Механизм передачи электромагнитных колебаний из одной точки в другую удалось объяснить только на основе полевых представлений.

Дж. К. Максвелл в 1864 г. высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн, способных распространяться в ваку­уме и диэлектриках. Для выдвижения такой гипотезы были сле­дующие основания.

В 1831 г. Фарадей установил, что любое изменение магнит­ного поля вызывает появление в окружающем пространстве индукционного электрического поля. Линии напряженности этого поля замкнуты, поэтому его называют вихревым полем. Каса­тельная к линии напряженности индукционного электрического поля перпендикулярна вектору магнитной индукции в данной точке пространства, следовательно, вектор В магнитной индукции и вектор E напряженности индукционного электрического поля взаимно перпендикулярны.

Максвелл предположил, что любое изменение напряженности электрического поля сопровождается возникновением вихревого магнитного поля. Линии магнитной индукции этого поля замкнуты, они расположены вокруг линий напряженности переменного электрического поля точно так же, как вокруг проводников с электрическим током.

Согласно гипотезе Максвелла однажды начавшийся в неко­торой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окру­жающего пространства. Распространяющееся переменное элек­тромагнитное поле и есть электромагнитная волна.

Из теории Максвелла вытекает ряд важных следствий, ко­торые мы сформулируем без вывода.

Существует особая форма материи — электромагнитное по­ле, характеризуемое двумя векторами: напряженностью Е и ин­дукцией В. В частном случае неизменных (стационарных) полей имеется только электрическое поле (В = 0, Е не равно 0) или только магнитное поле (Е = 0, В не равно 0). В общем случае переменного поля оба вектора не равны нулю и изменяются одновременно.

В свободном пространстве переменное электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитной волны, у которой векторы Е и В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Таким образом, в свободном пространстве электро­магнитная волна является поперечной.

Последнее выражение является инвариантом, который не ме­няется при переходе от одной системы отсчета к другой.

Свет является электромагнитной волной. Позже мы рас­смотрим ряд свойств света, подтверждающих этот вывод. Электро­магнитные колебания в электрических цепях происходят в ре­зультате распространения электромагнитных волн вдоль про­водов.

Основным положением гипотезы Максвелла было утверждение о том, что электромагнитные волны могут распространяться не только вдоль проводника с током, но и в диэлектриках, и в вакууме, где нет электрических зарядов. Для подтверждения гипотезы Максвелла требовалось экспериментально обнаружить электромагнитные волны, измерить скорость их распространения и сравнить полученный результат с теоретически предсказанным.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн.

Изменение магнитного поля происходит при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике меняется при изменении скорости движения электрических зарядов в нем, т. е. при дви­жении зарядов с ускорением. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электриче­ских зарядов.

Электромагнитные волны были впервые экспериментально обнаружены Г. Герцем в 1887 г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. Эти стержни обладают определен­ной индуктивностью и электроемкостью и представляют собой из­лучающий электрический колебательный контур — вибратор. 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 создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

Поверхностная плотность потока излучения.

Одной из важ­ных характеристик электромагнитной волны является поверх­ностная плотность потоки излучения, иначе называемая ин­тенсивностью волны. Она равна средней мощности излучения, переносимого волной через поверхность единичной площади.

Выделим в пространстве, где распространяется плоская электромагнитная волна, участок поверхности площадью S. За время Dt через эту поверхность пройдет энергия, содержащаяся в элементарном объеме DV = SDl = ScDt. Средняя энергия, содержащаяся в атом объеме, равна DWср = wср DV = wсрScDt, где wср - средняя плотность энергии электромагнитной волны. 


Нетрудно убедиться, что единицей поверхностной плотности потока излучения в СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м2).


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+