"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Электромагнитные волны — распространяющиеся колебания электрического и магнитного полей. Максвелл пришёл к выводу, что изменяющиеся поля способны взаимно порождать друг друга и распространяться даже без проводника. Расчётная скорость волн совпала со скоростью света, что позволило связать свет с электромагнитными явлениями. Позже Герц обнаружил такие волны экспериментально и показал, что они отражаются, преломляются и интерферируют.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитное поле — единое поле, включающее взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Если одно из них меняется, это может вызвать изменение другого. Понятие нужно, чтобы описывать электрические и магнитные явления как части общей картины, а не как несвязанные процессы.
Ток смещения — изменяющееся электрическое поле, создающее магнитное поле подобно электрическому току. В отличие от обычного тока, он не означает перенос зарядов через пространство. Это понятие помогает описать магнитное поле в промежутке между обкладками заряжающегося конденсатора.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электрического и магнитного полей. Поля в ней изменяются согласованно и поддерживают распространение возмущения. Это определение позволяет отличить волну от поля, которое просто меняется в одной области.
Опыт Герца — экспериментальное обнаружение и исследование электромагнитных волн. Герц создал источник быстрых электрических колебаний и прибор, в котором волны вызывали искру. Его опыты понадобились, чтобы проверить предсказание Максвелла и изучить свойства нового излучения.
Максвелл обратил внимание, что электрический ток создаёт магнитное поле, а меняющееся магнитное поле, в свою очередь, вызывает электрическое. Однако известная связь тока с магнитным полем не объясняла ситуацию во всех случаях: например, при зарядке конденсатора ток в проводах есть, а между обкладками проводящего тока нет. При этом магнитное поле вокруг проводов сохраняется. Значит, для описания поля нужно учитывать не только движение зарядов, но и изменение электрического поля.
Максвелл ввёл ток смещения, связанный именно с изменением электрического поля. Во время зарядки конденсатора поле между его обкладками усиливается или ослабевает, и это изменение создаёт магнитное поле. Поэтому магнитное поле не «обрывается» у края проводника: оно согласованно существует и вокруг промежутка между обкладками. Так сохраняется замкнутость магнитных линий и устраняется противоречие в описании конденсатора.
Если электрическое поле меняется, оно порождает магнитное; меняющееся магнитное поле порождает электрическое. Благодаря этой взаимной связи возмущение может передаваться от одной области пространства к соседней, даже когда там нет проводника и зарядов, которые могли бы переносить сигнал. Так возникает электромагнитная волна. В отличие от механической волны, ей не требуется вещество, частицы которого должны колебаться.
Из уравнений Максвелла следует, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме определяется электрической и магнитной постоянными: c = 1/√(ε₀μ₀). Подстановка их значений даёт скорость, близкую к измеренной скорости света. Совпадение оказалось настолько существенным, что Максвелл сделал вывод: свет — это электромагнитная волна. Таким образом, оптика получила объяснение через электромагнитные явления.
Герц проверил предсказание Максвелла с помощью искрового генератора: разряд между металлическими элементами создавал быстрые электрические колебания и излучение. На некотором расстоянии Герц помещал резонатор — проводящий контур с маленьким искровым промежутком. Когда до него доходила волна, в промежутке появлялась искра; её наличие показывало, что приёмный контур получил энергию из пространства. Перемещая приборы и меняя условия опыта, Герц обнаружил отражение и другие волновые свойства излучения.
Таблица показывает, как теоретическое рассуждение Максвелла привело к экспериментальной проверке Герца. Читайте строки как последовательность: от связи полей и расчёта скорости до обнаружения и исследования волн. Последний столбец поясняет, почему каждый этап важен для физики.
| Этап | Основная идея или действие | Наблюдаемый результат | Значение для физики |
|---|---|---|---|
| Теоретическое предсказание Максвелла | Изменяющиеся электрическое и магнитное поля взаимно порождают друг друга. | Возмущение полей может распространяться в пространстве. | Предсказано существование электромагнитных волн. |
| Определение скорости волн | Скорость следует из электрической и магнитной постоянных: c = 1/√(ε₀μ₀). | Получается значение, близкое к скорости света. | Возник вывод об электромагнитной природе света. |
| Эксперимент Герца | Искровой генератор создаёт излучение, резонатор служит приёмником. | В приёмном контуре появляется искра. | Получено первое прямое экспериментальное обнаружение электромагнитных волн. |
| Исследование свойств волн | Герц проверяет, как излучение ведёт себя при взаимодействии с преградами и приёмниками. | Обнаружены отражение, преломление, интерференция и поляризация. | Подтверждена волновая природа электромагнитного излучения. |
Задача 1. Объяснить, почему при зарядке конденсатора магнитное поле существует и в промежутке между его обкладками, где проводящего тока нет. Нужно различить перенос зарядов в проводах и изменение поля внутри конденсатора. Именно это различие объясняет введение тока смещения.
Ответ: магнитное поле в промежутке связано с током смещения, а не с переносом зарядов сквозь конденсатор.
Задача 2. Колебательный контур излучает электромагнитные волны частотой 100 МГц. Определить длину волны и период излучения. Используем скорость света в вакууме c ≈ 3 · 10⁸ м/с, поскольку волны распространяются в воздухе почти с этой скоростью. Переведём частоту в герцы: f = 100 · 10⁶ Гц = 1 · 10⁸ Гц.
Ответ: длина волны равна 3 м, период — 1 · 10⁻⁸ с. Проверка единиц помогает не перепутать величины: длина выражена в метрах, период — в секундах.
Задача 3. По значениям электрической и магнитной постоянных вычислить скорость электромагнитных волн и сравнить её со скоростью света. Возьмём ε₀ ≈ 8,85 · 10⁻¹² Ф/м и μ₀ ≈ 1,26 · 10⁻⁶ Гн/м. Подставим значения в выражение, вытекающее из теории Максвелла.
Ответ: расчётная скорость электромагнитных волн примерно равна 3,0 · 10⁸ м/с. Совпадение со скоростью света указывает на электромагнитную природу света.
Считать, что электромагнитная волна существует только в проводнике, — ошибка: проводник может излучать или принимать волну, но не является обязательной средой её распространения. Так думают, потому что изучают волны на примере антенн и проводов. Проверь себя вопросом: доходит ли свет от Солнца через вакуум? Доходит, значит, волна может идти без проводника.
Ток смещения иногда принимают за перенос зарядов между обкладками конденсатора. Путаница возникает из-за слова «ток», но в промежутке заряд не пересекает зазор: меняется электрическое поле. Проверка простая — раздели ток в проводах и изменение поля внутри конденсатора.
Неверно считать электрическое и магнитное поля в волне независимыми колебаниями. Такая мысль появляется, если рассматривать их по отдельности, хотя изменения одного поля связаны с возникновением другого. Проверь объяснение: оно должно учитывать взаимное порождение полей, благодаря которому волна распространяется.
Опыт Герца — не просто наблюдение искры в приёмнике. Искра свидетельствовала о приходе излучения, а наблюдения отражения, интерференции и других явлений подтвердили его волновые свойства. Чтобы проверить себя, назови и обнаружение волны, и результаты её дальнейшего исследования.
Для понимания темы нужны свойства электрического и магнитного полей, представление об электрическом токе, конденсаторе и колебательном контуре. Знание конденсатора помогает разобраться, почему ток смещения важен в промежутке между обкладками. Колебательный контур объясняет, откуда в опытах Герца брались быстрые электрические колебания.
Эта тема подготавливает изучение световых волн, радиосвязи, антенн и радиотехнических устройств. Понятие электромагнитного поля помогает объяснить, как распространяются радиоволны, видимый свет и другие виды излучения. Различаются они, в частности, частотой и длиной волны, но относятся к одному виду физических явлений.
Зачем понадобилось вводить ток смещения?
При зарядке конденсатора проводящий ток идёт по проводам, но между обкладками заряды не пересекают промежуток. При этом электрическое поле там меняется. Ток смещения учитывает действие этого изменяющегося поля и позволяет объяснить магнитное поле в промежутке и замкнутость магнитных линий.
Чем электромагнитная волна отличается от механической?
Механическая волна — это колебания частиц вещества, поэтому ей нужна материальная среда. Электромагнитная волна представляет собой распространяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Она может идти и в вакууме.
Почему свет считают электромагнитной волной?
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света. Свет также проявляет волновые свойства, например интерференцию и поляризацию. Поэтому его относят к электромагнитным волнам.
Как Герц доказал существование электромагнитных волн?
Герц создавал быстро меняющиеся электрические поля искровым генератором, а волны обнаруживал резонатором — металлическим контуром с маленьким промежутком. Искра в резонаторе показывала, что до него дошло электромагнитное возмущение. Затем Герц исследовал отражение и другие волновые свойства излучения.
Могут ли электромагнитные волны распространяться в вакууме?
Да. Для распространения электромагнитной волне не нужны частицы вещества: изменяющиеся электрическое и магнитное поля поддерживают друг друга. Именно поэтому свет от далёких звёзд достигает Земли через почти пустое пространство.
1. Предсказание и открытие электромагнитных волн
