Электричество и магнетизм — великое объединение

Определения и обозначения

Электромагнитное поле — единое поле, проявлениями которого являются электрическое и магнитное поля. Их нельзя считать полностью независимыми: изменение одного связано с появлением другого. Это понятие помогает объяснить электромагнитную индукцию и распространение света и радиоволн как проявлений общего взаимодействия.

Ток смещения — введённое Максвеллом понятие, описывающее действие изменяющегося электрического поля, подобное действию электрического тока. При этом речь не обязательно идёт о движении заряженных частиц через рассматриваемую область. Понятие нужно, чтобы описывать связь меняющегося электрического поля с магнитным и правильно объяснять электромагнитные процессы.

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве взаимосвязанное изменение электрического и магнитного полей. Поля изменяются согласованно и поддерживают распространение возмущения. Это определение позволяет понять, как излучение передаёт энергию, не перенося заряженные частицы от источника к приёмнику.

Скорость света — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, приблизительно 3 · 10⁸ м/с. Теория Максвелла приводит к такому значению скорости волны, которое совпадает с известной скоростью света. Совпадение стало основанием считать свет электромагнитным излучением.

Как это устроено

Фарадей обнаружил, что при изменении магнитного поля в замкнутом проводнике может возникнуть индукционный ток. Причина не в том, что магнитное поле просто «толкает» заряды: меняющееся магнитное поле создаёт электрическое поле, которое и приводит заряды в движение. Если проводник замкнут, движение зарядов становится током; если его убрать, электрическое поле всё равно может существовать. Так опыт связал изменение магнитного поля с возникновением электрического.

При описании магнитного поля обычного тока Максвелл обратил внимание на ситуацию, когда электрическое поле меняется, хотя через область не движутся заряженные частицы. Без дополнения теория не объясняла бы магнитное действие в такой ситуации, например между обкладками заряжающегося конденсатора. Максвелл ввёл ток смещения, чтобы учесть это действие. Благодаря этому меняющееся электрическое поле тоже оказалось источником магнитного поля.

Если электрическое поле меняется, оно связано с появлением магнитного; изменение магнитного поля, в свою очередь, связано с электрическим. Поэтому возмущение не обязано всё время поддерживаться движущимися зарядами в проводнике: изменение полей распространяется от точки к точке. Так возникает электромагнитная волна, которая переносит энергию в пространстве. Для её распространения не требуется вещество, поэтому волна может идти в вакууме.

Из уравнений электромагнитного поля Максвелл вывел, что взаимосвязанные изменения полей могут распространяться как волна и что в вакууме у неё есть определённая скорость. Теоретически рассчитанная скорость оказалась равна скорости света. Это было не случайным численным совпадением: оно указывало, что свет может быть одним из видов электромагнитных волн. Так теория предсказала существование волн, которые позднее удалось получить и исследовать.

Видимый свет, радиоволны и другие виды электромагнитного излучения имеют общую физическую природу: это электромагнитные волны. Они отличаются частотой и длиной волны, а значит, по-разному взаимодействуют с веществом и применяются для разных задач. Радиоволны можно излучать антенной и принимать другой антенной, а видимый свет воспринимает глаз. Общая теория объясняет и радиосвязь, и распространение света.

Электрическое и магнитное поля в электромагнитном взаимодействии

Читайте таблицу как описание связей: в первых двух строках указаны поля, а в следующих — что меняется во времени и какое действие это вызывает. Чтобы проследить распространение волны, переходите от изменяющегося электрического поля к магнитному, а затем обратно к электрическому. Именно эта цепочка показывает, почему поля нельзя рассматривать независимо.

Разбор задач

Задача 1. Почему изменение магнитного поля может вызвать электрический ток в замкнутом проводнике? Нужно связать действие поля с движением зарядов, а затем учесть замкнутость цепи.

1. Изменение магнитного поля связано с возникновением электрического поля.
2. Электрическое поле действует на заряды в проводнике и приводит их в направленное движение.
3. Поскольку проводник замкнут, заряды могут непрерывно двигаться по цепи; это движение и является током.

Ответ. Меняющееся магнитное поле создаёт электрическое поле, которое вызывает движение зарядов по замкнутому проводнику. Без замкнутой цепи ток не потечёт, хотя электрическое поле может возникнуть.

Задача 2. Частота электромагнитной волны равна 100 МГц. Найдите её длину в вакууме. Длина волны связана со скоростью распространения и частотой формулой λ = c/f.

1. Переведите частоту в герцы: 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 10⁸ Гц.
2. Для вакуума возьмите скорость электромагнитной волны c ≈ 3 · 10⁸ м/с.
3. Подставьте значения: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(10⁸ Гц) = 3 м. Единица получается метром, так как 1 Гц = 1/с.

Ответ. Длина волны в вакууме равна 3 м. Проверка здравого смысла: чем выше частота при той же скорости, тем короче волна.

Задача 3. Передатчик создаёт электромагнитную волну. Объясните, как она может дойти от антенны до приёмника в вакууме и почему свет относится к тому же виду явлений. Здесь нужно проследить взаимосвязь полей, а не искать материальную среду между приборами.

1. В антенне заряды движутся с ускорением, из-за чего возникают меняющиеся электрическое и магнитное поля.
2. Изменения полей связаны друг с другом, поэтому возмущение распространяется в пространстве как электромагнитная волна, не требуя проводника или вещества.
3. Свет тоже представляет собой распространяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Он отличается от радиоволн диапазоном частот и длин волн, но не физической природой.

Ответ. Волна от антенны распространяется в вакууме благодаря взаимосвязи меняющихся полей и принимается антенной приёмника. Свет относится к тому же виду явлений, поскольку также является электромагнитной волной.

Типичные ошибки

Ошибка — считать электрическое и магнитное поля совершенно независимыми. Такое представление возникает, если запомнить отдельно действие зарядов и токов, но не учесть электромагнитную индукцию и ток смещения. Проверьте себя: можете ли вы объяснить, какое поле связано с изменением другого?

Ошибка — утверждать, что электромагнитная волна распространяется только в веществе. Это заблуждение часто появляется из-за опыта со звуковыми волнами, которым нужна среда. Проверьте себя: волны электромагнитного излучения доходят от Солнца до Земли через космический вакуум.

Ошибка — путать ток смещения с обычным током заряженных частиц. Название «ток» может навести на мысль, что частицы обязательно пересекают область, где меняется поле. Проверьте себя: в определении тока смещения главное — магнитное действие изменяющегося электрического поля, а не перенос зарядов через пространство.

Ошибка — считать, что свет и радиоволны имеют разную физическую природу. Их различия в наблюдении и применении легко принять за различия в устройстве. Проверьте себя: и то и другое является электромагнитными волнами, но имеет разные частоты и длины волн.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о свойствах электрического и магнитного полей, действии электрического тока и электромагнитной индукции. Связь полей помогает объяснить работу антенн и радиосвязи: передатчик создаёт волну, а приёмник обнаруживает её. Та же теория описывает распространение света и помогает разбираться в работе оптических приборов. Представление об электромагнитных волнах становится основой для изучения спектра излучения и его применения.

Что запомнить

• Электрическое и магнитное поля — проявления единого электромагнитного поля.
• Изменение магнитного поля связано с возникновением электрического поля.
• Изменяющееся электрическое поле также связано с магнитным полем.
• Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.
• В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
• Свет — электромагнитная волна.