1. Предсказание и открытие электромагнитных волн

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве взаимосвязанное изменение электрического и магнитного полей. Эти изменения передают возмущение от источника дальше, в том числе через вакуум, где нет вещества. Понятие волны нужно, чтобы описывать перенос электромагнитного воздействия от одного места к другому.

Электромагнитное поле — единое поле, проявлениями которого являются электрическое и магнитное поля. Их рассматривают как связанные составляющие, потому что изменение одного поля может сопровождаться возникновением другого. Эта связь объясняет, почему электрические и магнитные явления могут распространяться совместно.

Вибратор Герца — устройство, в котором быстро меняются заряд и электрический ток. Такие изменения создают меняющиеся электрическое и магнитное поля, способные распространяться от устройства. Вибратор служит источником электромагнитных волн в опытах.

Резонатор Герца — проводник с искровым промежутком, предназначенный для обнаружения электромагнитных волн. Приходящая волна вызывает в нём колебания, и между концами промежутка может возникнуть искра. По этому признаку судят, что волна достигла резонатора.

Как это устроено

Электрическое и магнитное поля связаны не только тем, что могут существовать рядом. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменение магнитного поля порождает электрическое. Поэтому возникшее возмущение не обязательно остаётся возле источника: изменяющиеся поля поддерживают друг друга и передают его дальше. Так формируется распространяющаяся электромагнитная волна.

Максвелл объединил закономерности электрических и магнитных явлений в теорию электромагнитного поля. Из его уравнений следовало, что изменения этого поля способны распространяться в виде волн даже там, где нет вещества. Расчётная скорость распространения в вакууме совпала со скоростью света. Это позволило Максвеллу предположить, что свет тоже имеет электромагнитную природу.

Чтобы получить заметное излучение, поля должны меняться быстро. В вибраторе Герца заряд и ток совершали быстрые колебания, а вместе с ними быстро менялись электрическое и магнитное поля. Меняющееся поле не остаётся только у проводника: часть возмущения уходит от него и распространяется в пространстве. Поэтому вибратор становился источником электромагнитных волн.

Для обнаружения волн Герц использовал отдельный резонатор с искровым промежутком. Дошедшая волна вызывала в проводнике резонатора колебания зарядов, и при достаточном напряжении между его концами проскакивала искра. Искровой разряд был наблюдаемым эффектом, который помогал обнаружить невидимую волну. Увеличивая расстояние между источником и резонатором и меняя их расположение, можно было исследовать распространение излучения.

Герц наблюдал, что электромагнитные волны отражаются от препятствий и могут интерферировать. Интерференция — наложение волн, при котором в одних местах колебания усиливаются, а в других ослабляются. Эти признаки характерны для волновых процессов и согласовались с теоретическим предсказанием Максвелла. Тем самым опыт связал электромагнитное излучение со знакомыми свойствами света.

Предсказание и экспериментальное открытие электромагнитных волн

Таблица помогает разделить теоретическую и экспериментальную части истории: Максвелл предсказал волны, а Герц проверил предсказание опытом. Проследи, как каждый этап опирается на предыдущий: источник создаёт волну, а резонатор обнаруживает её. Последняя строка показывает, какие наблюдения подтвердили именно волновой характер излучения.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему изменение электрического поля может привести к появлению электромагнитной волны. Здесь нужно проследить не только появление магнитного поля, но и дальнейшее развитие возмущения. Важно показать, почему оно не ограничивается одной точкой пространства.

1. Изменение электрического поля вызывает изменение магнитного поля. Это означает, что электрическое воздействие сопровождается магнитным.
2. Поскольку магнитное поле тоже меняется, оно порождает электрическое поле в соседних областях. Возникает цепочка взаимосвязанных изменений.
3. Такая связь позволяет возмущению распространяться от источника в пространстве, а не только сохраняться около него. Следовательно, может возникнуть электромагнитная волна.

Ответ: меняющиеся электрическое и магнитное поля взаимно поддерживают распространение возмущения, образуя электромагнитную волну.

Задача 2. В резонаторе Герца появилась искра при работе удалённого вибратора. Объясните, что доказывает это наблюдение. Нужно отделить саму волну от эффекта, по которому её обнаружили. Для этого проследим, что происходит с момента излучения до появления искры.

1. Быстрые колебания заряда и тока в вибраторе создают электромагнитные волны. Волна распространяется от источника к резонатору.
2. Дойдя до резонатора, волна вызывает в нём колебания зарядов и электрическое напряжение. При достаточном напряжении в искровом промежутке возникает разряд.
3. Значит, искра свидетельствует о наведённых колебаниях и приходе волны. Она не является самой электромагнитной волной.

Ответ: искровой разряд подтверждает, что электромагнитное возмущение дошло от вибратора до резонатора и вызвало в нём колебания.

Задача 3. Длина волны равна 3 м, частота — 100 МГц. Найдите скорость распространения и сравните её со скоростью света. Скорость волны определяется тем, как далеко распространяется колебание за единицу времени; для расчёта нужны длина волны и частота. Сначала переведём частоту в герцы, чтобы подставлять величины в согласованных единицах.

1. Используем связь скорости, длины волны и частоты: v = λν. Здесь λ = 3 м, а ν = 100 МГц = 100 000 000 Гц = 10⁸ Гц.
2. Подставляем значения: v = 3 м · 10⁸ Гц = 3 · 10⁸ м/с. Единицы получаются метры в секунду, потому что герц равен обратной секунде.
3. Сравниваем результат со скоростью света в вакууме, приблизительно равной 3 · 10⁸ м/с. Значения совпадают.

Ответ: v = 3 · 10⁸ м/с; это скорость света в вакууме.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что электромагнитная волна распространяется только в веществе. Так думают, потому что многие знакомые волны, например звуковая, требуют среды. Электромагнитная волна может идти и в вакууме; проверка простая: именно для вакуума Максвелл получил скорость, совпадающую со скоростью света.

Ошибка — приписывать экспериментальное открытие волн Максвеллу или теоретическое предсказание Герцу. Их роли легко перепутать, потому что оба учёных связаны с одной и той же темой. Проверь себя вопросом: кто сделал вывод из теории, а кто построил установку и наблюдал эффект? Ответ: Максвелл предсказал, Герц обнаружил опытным путём.

Ошибка — считать электрическое и магнитное поля в волне независимыми. Это впечатление может возникнуть из-за того, что их изучают как отдельные понятия. Но изменения этих полей взаимосвязаны: изменение одного связано с возникновением другого. При объяснении распространения волны всегда прослеживай обе части поля.

Ошибка — называть искру в резонаторе электромагнитной волной. Искра заметна глазу, поэтому её можно принять за само излучение. Однако она возникает внутри резонатора из-за наведённых колебаний и лишь сигнализирует о приходе волны. Чтобы проверить себя, раздели причину и признак: волна приходит, искра показывает её действие.

Связь с другими темами

Для понимания этой темы нужны знания об электрическом и магнитном полях, заряде и токе: именно их изменения участвуют в возникновении волны. Формула v = λν связывает скорость, длину волны и частоту и пригодится при изучении электромагнитного излучения и его спектра. Представление о распространении и отражении волн помогает понять, почему свет можно рассматривать как электромагнитную волну.

Что запомнить

• Максвелл предсказал существование электромагнитных волн.
• Электромагнитная волна — распространяющееся изменение взаимосвязанных электрического и магнитного полей.
• В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
• Герц получил электромагнитные волны с помощью вибратора.
• Резонатор позволил Герцу обнаружить дошедшую до него волну.
• Опыты Герца подтвердили существование электромагнитных волн и их волновые свойства.