28. Электромагнитные волны

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Его электрическая и магнитная составляющие изменяются согласованно: изменения одной связаны с изменениями другой. Это понятие помогает описать, как возмущение поля уходит от источника и переносит энергию.

Электромагнитное поле — единое поле, которое проявляется через электрическую и магнитную составляющие. Они не существуют в волне как два независимых явления: их взаимные изменения связаны. Понятие поля позволяет описывать воздействие зарядов и магнитов на расстоянии, не предполагая перенос вещества между ними.

Электромагнитное излучение — перенос энергии электромагнитными волнами от источника в окружающее пространство. Излучением называют сам процесс передачи энергии, а волной — распространяющееся поле, с помощью которого она происходит. Так можно объяснить, например, как энергия доходит от источника света до удалённого предмета.

Скорость электромагнитной волны — скорость, с которой распространяется возмущение поля. В вакууме она равна скорости света и обозначается c; её значение приблизительно равно 3·10⁸ м/с. Скорость нужна, чтобы находить путь, время распространения или характеристики волны.

Как это устроено

Когда заряд движется с изменяющейся скоростью или меняет направление, его электрическое поле тоже изменяется. Изменение поля связано с возникновением переменного магнитного поля. Поэтому ускоренно движущийся заряд может стать источником электромагнитного излучения, которое распространяется от него в окружающее пространство. Неподвижный заряд создаёт электрическое поле, но не создаёт распространяющуюся волну.

Переменные электрическое и магнитное поля связаны между собой и поддерживают изменения друг друга. Если поле изменяется в одной области, возмущение передаётся соседним областям, а затем распространяется дальше. Так волна может удаляться от источника, хотя вещество вместе с ней не движется. Именно поэтому электромагнитная волна переносит энергию, но не переносит вещество.

Для распространения электромагнитной волны не требуется материальная среда. Её полями может быть заполнен и вакуум, поэтому излучение способно проходить через пространство, где почти нет вещества. Это отличается от волн, которым нужна среда, например звука в воздухе. Вещество может влиять на распространение электромагнитной волны, но не является обязательным условием её существования.

В волне направление электрического поля, направление магнитного поля и направление распространения взаимно перпендикулярны. Значит, оба поля изменяются поперёк движения волны, и её называют поперечной. Такое расположение важно учитывать при изображении волны и описании её свойств. Поля не направлены ни параллельно друг другу, ни вдоль распространения.

В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью около 300 000 км/с, или 3·10⁸ м/с. В веществе скорость меньше, потому что распространение зависит от свойств среды. Для волны в вакууме длина λ, частота ν и скорость c связаны формулой c = λν. Зная две величины, по этой формуле можно определить третью.

Характеристики электромагнитной волны

В таблице удобно сравнивать свойства волны по отдельным признакам: что именно распространяется, нужна ли среда и как направлены поля. При решении задачи сначала определите, какая характеристика требуется, а затем выберите соответствующую формулу или факт. Например, для пути пригодится скорость и время, а для длины волны — связь c = λν.

Разбор задач

Задача 1. Назовите источник электромагнитной волны и объясните, почему неподвижный заряд не излучает волну. Чтобы ответить, нужно связать появление волны не просто с наличием заряда, а с изменением его движения. Именно изменение движения создаёт переменное поле, способное распространяться.

1. Источник электромагнитной волны — ускоренно движущийся заряд.
2. При ускорении меняется электрическое поле заряда, а с ним связано возникновение переменного магнитного поля.
3. У неподвижного заряда поле не меняется со временем, поэтому он не создаёт распространяющееся возмущение.

Ответ: источником служит ускоренно движущийся заряд; неподвижный заряд не излучает волну, потому что его поле не изменяется.

Задача 2. Электромагнитная волна распространяется в вакууме со скоростью 3·10⁸ м/с. Какое расстояние она пройдёт за 2 мкс? Ищем путь, поэтому используем формулу s = vt. Перед вычислением переводим время в секунды, чтобы единицы скорости и времени согласовались.

1. Записываем скорость: v = 3·10⁸ м/с.
2. Переводим время: 2 мкс = 2·10⁻⁶ с.
3. Подставляем значения: s = vt = 3·10⁸ · 2·10⁻⁶ м = 6·10² м.

Ответ: волна пройдёт 600 м. Проверка показывает, что за одну микросекунду при такой скорости она проходит 300 м, значит за две — вдвое больше.

Задача 3. Частота электромагнитной волны равна 100 МГц. Найдите её длину в вакууме. Используем связь c = λν и выражаем длину: λ = c/ν. Частоту нужно перевести из мегагерц в герцы, иначе результат не будет согласован с единицами скорости в м/с.

1. Переводим частоту: ν = 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц.
2. Подставляем скорость света и частоту: λ = 3·10⁸ м/с ÷ 10⁸ 1/с.
3. Сокращаем степени десяти и единицы времени: λ = 3 м.

Ответ: длина волны в вакууме равна 3 м. Проверить результат можно по смыслу формулы: при неизменной скорости более высокая частота соответствует меньшей длине волны.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что волне обязательно нужна материальная среда. Так думают, потому что многие знакомые волны, например звук, распространяются в веществе. Проверьте себя вопросом: может ли излучение идти через вакуум? Электромагнитная волна может.
• Ошибка: путать скорость волны со скоростью колебаний частиц среды. Такая путаница возникает из-за сравнения с механическими волнами, где частицы действительно колеблются. Проверьте, переносится ли вещество вместе с электромагнитной волной: нет, распространяется поле.
• Ошибка: считать, что поля параллельны друг другу или направлены вдоль движения волны. Это часто происходит, когда направления представляют без рисунка или описания. Проверьте расположение: электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу, и каждое перпендикулярно направлению распространения.
• Ошибка: подставлять мегагерцы или микросекунды без перевода в основные единицы. Тогда в вычислениях смешиваются несогласованные величины, и ответ получается неверным по масштабу. Перед подстановкой проверьте единицы: МГц переведите в Гц, а мкс — в секунды.

Связь с другими темами

Для изучения электромагнитных волн понадобятся представления об электрических зарядах, электрическом и магнитном полях, а также о колебательном движении. Эти знания помогают понять, почему изменение движения заряда вызывает переменное поле и как поля связаны между собой. В дальнейшем свойства волн пригодятся при изучении радиосвязи, световых волн и электромагнитного спектра. Так можно объяснить работу средств связи и сопоставить разные виды излучения.

Что запомнить

• Электромагнитная волна — распространяющееся переменное электромагнитное поле.
• Источник электромагнитного излучения — ускоренно движущийся заряд.
• Электромагнитные волны переносят энергию.
• Для распространения электромагнитной волны не нужна материальная среда.
• Электромагнитная волна поперечная: электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения.
• В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью около 3·10⁸ м/с.
• Для волны в вакууме справедлива связь c = λν.