1. Предсказание и открытие электромагнитных волн

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Его электрическая и магнитная составляющие изменяются согласованно и связаны друг с другом. Это понятие нужно, чтобы описывать перенос энергии и возмущения поля от источника, в том числе через вакуум.

Ток смещения — введённое Максвеллом представление о переменном электрическом поле как об источнике магнитного поля. Он не обязательно означает движение заряженных частиц через пространство, как обычный ток. Это представление объясняет, почему изменяющееся поле может поддерживать распространение электромагнитной волны.

Вибратор Герца — устройство, в котором при быстрых электрических колебаниях возникали электромагнитные волны. Колебания возбуждались искровым разрядом между двумя проводниками, соединёнными с источником высокого напряжения. Вибратор служил передатчиком, то есть источником излучения.

Резонатор Герца — приёмное устройство, состоявшее из проводника с небольшим разрывом. При попадании волны в резонаторе возбуждались электрические колебания, и между концами разрыва проскакивала искра. Искра была видимым признаком действия невидимой волны.

Как это устроено

Максвелл объединил закономерности электричества и магнетизма. Из них следовало, что переменное электрическое поле должно создавать магнитное, а изменяющееся магнитное поле — электрическое. Поэтому одна составляющая поля не просто сопровождает другую, а служит причиной её изменения.

Если электрическое поле начинает изменяться в некоторой области, оно порождает магнитное поле рядом с ней. Изменившееся магнитное поле, в свою очередь, создаёт электрическое поле в следующей области пространства. Так возмущение передаётся от точки к точке и образует волну, причём для этого не требуется движение вещества.

Электромагнитное поле может существовать и распространяться в вакууме, поскольку его электрическая и магнитная составляющие порождают друг друга. В веществе волна взаимодействует с заряженными частицами среды, но сама среда не является обязательным условием её существования. Это отличает электромагнитные волны, например, от звука, которому нужна материальная среда.

Теория Максвелла позволяла вычислить скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме она оказалась равной скорости света: c ≈ 3·10⁸ м/с. Совпадение не было случайным: Максвелл предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Проверить предсказание взялся Генрих Герц. Вибратор создавал быстрые электрические колебания: при искровом разряде заряд резко перераспределялся между проводниками, а затем колебания повторялись. Резонатор, расположенный на расстоянии, принимал излучение, и возникающая в нём искра показывала, что энергия дошла до приёмника.

Герц исследовал не только наличие излучения, но и его свойства. Отражение, интерференция и поляризация показали, что оно ведёт себя как волна. Эти результаты подтвердили предсказания Максвелла и установили общую электромагнитную природу света и радиоволн.

Предсказание Максвелла и опыты Герца

Сначала полезно сопоставить в таблице теоретическое предсказание и способ его проверки. Затем нужно проследить цепочку: идея о взаимосвязанных полях, источник волн, приёмник и наблюдаемый эффект. Так становится понятно, какой результат относится к расчёту, а какой — к эксперименту.

Разбор задач

Задача 1. Частота электромагнитной волны в опыте равна 50 МГц. Найдём её длину в вакууме. Используем скорость света c = 3·10⁸ м/с и связь c = λν.

1. Переведём частоту в единицы СИ: ν = 50 МГц = 50·10⁶ Гц.
2. Выразим длину волны: λ = c/ν.
3. Подставим значения: λ = 3·10⁸/(50·10⁶) = 6 м.

Ответ: длина волны равна 6 м. При увеличении частоты длина волны при той же скорости уменьшается.

Задача 2. Волна проходит расстояние 30 м со скоростью света. Определим время прохождения. Здесь речь идёт о равномерном движении, поэтому используем t = s/c.

1. Запишем данные: s = 30 м, c = 3·10⁸ м/с.
2. Подставим их в формулу: t = 30/(3·10⁸) с.
3. Выполним деление: t = 10⁻⁷ с.

Ответ: волна проходит 30 м за 0,1 мкс, или 100 нс. Очень малое время соответствует огромной скорости распространения.

Задача 3. При перемещении приёмника соседние максимумы наблюдаются через 1,5 м. Расстояние между соседними максимумами равно одной длине волны. После её нахождения вычислим частоту по формуле c = λν.

1. Определим длину волны: λ = 1,5 м.
2. Выразим частоту: ν = c/λ.
3. Подставим значения: ν = 3·10⁸/1,5 = 2·10⁸ Гц = 200 МГц.

Ответ: λ = 1,5 м, ν = 200 МГц. Максимумы повторяются через одну длину волны, потому что в этих точках колебания имеют одинаковую фазу.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что электромагнитной волне обязательно нужна материальная среда. Так бывает со звуком, поэтому возникает неверная аналогия. Проверьте себя: свет и радиосигналы проходят через вакуум.

Ошибка 2. Путать волну с колебаниями заряда в вибраторе. Заряды колеблются в источнике, а волна переносит возмущение поля дальше. Полезно разделять источник, поле и направление распространения.

Ошибка 3. Приписывать Герцу предсказание волн. Их существование теоретически предсказал Максвелл, а Герц подтвердил его опытами. Проверка проста: сначала была теория, затем экспериментальное обнаружение.

Ошибка 4. Считать искру в резонаторе самой электромагнитной волной. Искра лишь показывает, что в приёмнике возникли наведённые колебания. Если убрать волну от вибратора, искра как признак приёма исчезнет.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом и магнитном полях, а также знания о колебаниях и волнах. Формула c = λν связывает скорость распространения, длину волны и частоту. Навык работы с единицами измерения помогает решать расчётные задачи.

Дальше эти идеи используются при изучении свойств электромагнитных волн и спектра электромагнитного излучения. Свет, радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучения отличаются частотой и длиной волны, но имеют общую природу. Понимание опытов Герца подготавливает изучение распространения света.

Что запомнить

• Существование электромагнитных волн предсказал Джеймс Максвелл.
• Переменные электрическое и магнитное поля связаны и поддерживают распространение электромагнитной волны.
• Электромагнитные волны распространяются в вакууме.
• В вакууме скорость электромагнитной волны равна скорости света.
• Генрих Герц экспериментально получил и обнаружил электромагнитные волны.
• Отражение, интерференция и поляризация подтвердили волновые свойства излучения.