Электромагнитные волны
Дж. Максвелл доказал существование электромагнитных волн еще в 1864 после того, как решил применить их к изменяющимся во времени электромагнитным полям. Проанализировав все известные на тот момент законы электродинамики, увидел связь и асимметрию между электрическими и магнитными полями.
Понятие вихревого электрического поля
Максвеллом было введено понятие вихревого электрического поля, после чего он предложил иную формулировку закона электромагнитной индукции, которая была открыта в 1831 году Фарадеем:
Определение 1
Всякое изменение магнитного поля может стать причиной порождения в окружающем пространстве вихревого электрического поля с замкнутыми силовыми линиями.
Максвелл показал гипотезу, которая говорит совсем об обратном, а именно:
Определение 2
Электрическое поле, изменяющееся во времени, является причиной появления в окружающем пространстве магнитного поля.
Рисунки 2.6.1 и 2.6.2 показывают взаимное преобразование электрического и магнитного полей.
Рисунок 2.6.1. Закон электромагнитной индукции по определению Максвелла.
Рисунок 2.6.2. Гипотеза Максвелла об изменяющемся электрическом поле, порождающим магнитное поле.
Свойства уравнений Максвелла
Вначале данная гипотеза не имела экспериментального подтверждения, а выступала как теоретическое предположение. Основываясь на ней, Максвеллу смог зафиксировать непротиворечивую систему уравнений, которые описывали взаимные превращения электрического и магнитного полей. Данная запись называлась системой уравнений электромагнитного поля, иначе говоря, уравнениями Максвелла. Исходя из теории, используются выводы:
- Электромагнитные волны существуют. Они могут распространяться как в пространстве, так и во времени электромагнитного поля. Электромагнитные полны поперечные, а векторы E→ и
B→ располагаются перпендикулярно друг другу в одной плоскости, которая перпендикулярна относительно направления распространения волны. Это отчетливо видно на приведенном ниже изображении.
Рисунок 2.6.3. Снусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна, где заданные векторы
E→, B→ и v→ перпендикулярны друг к другу.
- Распространение электромагнитных волн имеет конечную скорость, которая обозначается
v=1ε·ε0·μ·μ0.
По формуле ε и μ являются диэлектрической и магнитной проницаемостью веществ, а ε0 и μ0 – электрической и магнитной постоянными, имеющими значения ε0=8,85419·10–12 Ф/м, μ0=1,25664·10–6 Гн/м.
Определение 3
Длина синусоидальной волны λ связана со скоростью распространения волны υ при помощи соотношения λ=υT=υf где f – это значение частоты колебаний электромагнитного поля, причем T=1f.
Запись скорости распространения волн в вакууме (ε=μ=1) записывается как
c=1ε0·μ0=2,99792458·108 м/с≈3·108м/с.
Определение 4
Скорость распространения волны в вакууме с – это фундаментальная физическая постоянная.
Вывод Максвелла о конечной скорости распространения волн противоречил теории дальнодействия, известной на тот момент. Тогда принятие скорости распространения электрического и магнитного полей обозначали как бесконечно большое значение. Отсюда и вывод, что теория Максвелла получила название теория близкодействия.
- Преобразование электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Одновременность процессов говорит о том, что их можно считать равноправными. Отсюда имеется вывод, что объемные плотности электрической и магнитной энергии равны и записываются wэ=wм. Формула может быть записана как
ε·ε0·E22=B22μ·μ0.
Делаем вывод, что имеется связь между модулями индукции магнитного поля B→ и напряженности E→, обозначаемая отношением:
B=εμcE.
- Возможность перенесения энергии при помощи электромагнитных волн. Во время распространения волны появляется поток электромагнитной энергии. При выделении площадки S, изображенной на рисунке 2.6.3., видно, что она ориентирована перпендикулярно направлению распространения волны. Тогда достаточно прохождению времени Δtдля того, чтобы энергия ΔWэм смогла пройти через заданную площадку, зафиксированной формулой
ΔWэм=(wэ+wм)υSΔt.
Определение 5
Плотность потока или интенсивность I – это электромагнитная энергия, переносимая волной за определенное количество времени через поверхность единичной площади. Формула имеет вид:
I=εε0μμ0·E2=EBμμ0.
При подстановке выражения для преобразования wэ, wм и υ, получаем, что:
I=1S∆Wэм∆t·E2=EBμμ0.
Справедливо обозначение потока энергии в электромагнитной волне при помощи вектора
I→ направление которого является совпадающим с направлением распространения волны, причем модуль имеет значение EBμμ0.
Полученный вектор был назван вектором Пойтинга.
Определение 6
Синусоидальная (гармоническая) волна, находящаяся в вакууме, со средним значением плотности потока электромагнитной энергии Iср обозначается как:
Iср=12ε0μ0E02,
Где E0 обозначается амплитуда колебаний напряженности.
Обозначение плотности потока энергии с СИ — ватты на квадратный метр, то есть Вт/м2.
- Основываясь на теорию Максвелла, получаем, что оказание давления на поглощающее или отражающее тело производится с помощью электромагнитных волн. Это давление обусловлено возникновением слабых токов под действием электрического поля, иначе говоря, упорядочением движения зараженных частиц. На них действует сила Ампера магнитного поля волны, которая направлена в толщу вещества. Именно она является причиной создания результирующего давления, которое чаще всего имеет маленькое значение. При давлении солнечного излучения, попадающего на Землю, имеет 5 мкПа. Последователь Максвелла П.Н. Лебедев смог подтвердить теорию в 1900 году. Эти опыты были высоко значимы для электромагнитной теории Максвелла.
Имеющееся давление электромагнитных волн говорит о том, что для такого электромагнитного поля существует механический импульс, который может быть представлен в виде выражения:
g=wэмc с wэм , обозначаемое в качестве объемной плотности электромагнитной энергии, с – скоростью распространения волн в вакууме. Электромагнитный импульс способствует введению понятия электромагнитной массы.
Для поля единичного объема запишем ρэм=gc=wэмc2.
Тогда получим, что wэм=ρэмc2.
Соотношение между массой и энергией считается как универсальный закон природы. Исходя из теории относительности, данное утверждение справедливо для любых тел.
Отсюда следует, что электромагнитное поле имеет все признаки, присущие материальным телам: энергия, конечная скорость распространения, импульс, масса.
Определение 7
То есть электромагнитное поле – это одна из форм существования материи.
- Первым экспериментальным подтверждением теории Максвелла было произведено по прошествии 15 лет после ее создания в опытах Г. Герца в 1888 году. Герц стал изучать их свойства волн: поглощение, преломление, отражение и так далее. После чего он смог измерить длину волны, находящуюся в разных средах распространения электромагнитных волн, которые равнялись скорости света.
Опыты Герца были основополагающими для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. По прошествии 7 лет она была применена в беспроводной связи, изобретенной А.С. Поповым в 1895 году.
- Возбуждение электромагнитных волн происходит с помощью ускоренно движущихся зарядов. Движение цепей постоянного тока имеют неизменную скорость носителей заряда, причем не являются источником таких волн. Современная радиотехника трактует изучение электромагнитных волн как наличие антенн различных конструкций с возбужденными быстропеременными токами.
Простейшая система, излучающая электромагнитные волны, считается сравнительно небольшим электрическим диполем, дипольный момент p(t) которого изменяется достаточно быстро с течением времени.
Элементарный диполь получил название диполя Герца. Радиотехника трактует его как эквивалентным небольшой антенне, размер которой меньше длины волны λ, показанной на рисунке 2.6.4.
Рисунок 2.6.4. Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания.
Рисунок 2.6.5 позволяет понять структуру электромагнитной волны, которая излучается таким диполем.
Рисунок 2.6.5. Излучение элементарного диполя.
Максимальное значение потока электромагнитной энергии может излучаться в плоскости, которая располагается перпендикулярно оси диполя. Вдоль оси диполь не излучает энергию. Использование Герцем элементарного диполя было необходимо для излучающей и приемной антенн во время экспериментального доказательства существования электромагнитных волн.
Источник: http://zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektromagnitnye-kolebanija-volny/elektromagnitnye-volny/
Герц Генрих Рудольф
H. Hertz
Герц Генрих Рудольф (Heinrich Rudolf Hertz) (22.02.1857-01.01.1894) — немецкий физик.
Родился в Гамбурге. В детстве был болезненным и хилым. Однако у тщедушного с виду малыша оказалась большая сила воли. Он установил для себя прямо-таки железный распорядок и годами его неукоснительно выдерживал: вставал очень рано, тотчас же принимался за работу и работал – с небольшими перерывами – весь день. Это усердие, настойчивость и целеустремленность сохранились у него на всю жизнь.
Окончил Берлинский университет. В 1885-1889 — профессор Высшей технической школы в Карлсруэ, с 1889 г. — Боннского университета.
Основные работы учёного относятся к электродинамике. В 1887 г. в работе «Об очень быстрых электрических колебаниях» он предложил удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения (резонатор Герца), впервые разработав теорию открытого вибратора, излучающего электромагнитные волны в пространстве.
Для этой цели Герц перешёл от обычного «замкнутого» колебательного контура к «открытому» колебательному контуру и создал вибратор, состоящий из металлического стержня длиной в несколько десятков сантиметров с шарами или пластинками на концах.
Вибратор Герца
Пользуясь вибратором и резонатором, в 1888 г. физик экспериментально доказал существование электромагнитных волн, распространявшихся в свободном пространстве, предсказанных теорией Максвелла.
Экспериментируя с электромагнитными волнами, Герц наблюдал их отражение, преломление, интерференцию, поляризацию. Установил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света.
Опыты Герца имели большое значение для признания теории Максвелла и её утверждения.
Обложка основного труда Г.Герца «Исследования о распространении электрической силы» (1892)
Развивая эту теорию, он придал уравнениям электродинамики симметричную форму, которая обнаруживала полную взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями (электродинамика Максвелла-Герца).
Излучение вибратора Герца (Hertz dipole)
Исходя из гипотезы, что эфир полностью захватывается движущимися телами, учёный построил в 1890 г. общую теорию электромагнитных явлений в движущихся телах (электродинамику движущихся тел). Однако электродинамика Герца противоречила некоторым опытам и со временем была заменена электронной теорией Лоренца.
5 марок ( ГДР, 1969)
10 евро ( Германия, 2013)
Исследования Герца посвящены также катодным лучам, теории удара упругих тел и т. д. Некоторое время электромагнитные волны называли «Лучами Герца».
Почтовая марка ( Германия, 1994)
***
Математика имеет хороший инструмент. Экономика обладает хорошим материалом. Экономико-математические методы — это совмещение хорошего инструмента с хорошим исходным материалом. Уравнения умнее своих создателей. (Г.Герц)
Это был ум, в равной мере способный как к величайшей остроте и ясности логического мышления, так и к изумительной внимательности при наблюдении неприметных явлений. (Г.Гельмгольц)
Полезные ссылки
1. 50 лет волн Герца / Москва-Ленинград: изд-во АН СССР, 1938. [Электронный ресурс]. — URL. 2. Аренберг, А.Г. Генрих Герц / Москва: Знание, 1957.
Источник: https://tsput.ru/res/fizika/ELECTRO_DREAM/PERSONS/hertz.htm
