§ 39. Электромагнитные волны

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, электрическая и магнитная составляющие которого меняются со временем. Изменения этих составляющих связаны и позволяют возмущению передаваться дальше от источника. Это понятие нужно, чтобы описывать распространение электромагнитного воздействия и перенос энергии.

Электромагнитное поле — единое поле, проявляющееся через электрическую и магнитную составляющие. Их рассматривают вместе, потому что изменение одной связано с возникновением другой. Такое представление помогает объяснить, как волна распространяется от источника.

Поперечность электромагнитной волны означает, что направления электрического поля, магнитного поля и распространения взаимно перпендикулярны. Иными словами, поля колеблются не вдоль движения волны, а поперёк него. Это свойство помогает отличать направление распространения от направлений колебаний.

Скорость электромагнитной волны — скорость, с которой возмущение поля проходит расстояние. В вакууме она равна скорости света, примерно 3 · 10⁸ м/с. Знание скорости позволяет находить время распространения по формуле t = s/v.

Как это устроено

Источником электромагнитного излучения могут быть ускоренно движущиеся электрические заряды. Заряд создаёт электрическое поле, а при изменении его движения меняется и поле вокруг него. Возмущение не остаётся возле заряда: оно может отделиться от источника и распространяться в пространстве.

Электрическое и магнитное поля связаны не случайно: изменение одного сопровождается появлением другого. Когда электрическое поле изменяется, оно связано с возникновением магнитного; изменяющееся магнитное, в свою очередь, связано с электрическим. Поэтому возмущение может передаваться от одной области пространства к соседней, а не прекращаться сразу за пределами источника.

Распространяющееся возмущение электромагнитного поля не нуждается в веществе. Механической волне, например звуковой, нужна среда, частицы которой передают колебания соседям. Электромагнитная волна может идти и в вакууме, потому что её распространение связано с изменением электрической и магнитной составляющих поля.

В электромагнитной волне электрическое и магнитное поля колеблются поперёк направления её движения. При этом направление электрического поля перпендикулярно направлению магнитного поля. Сходное свойство есть у поперечной механической волны: колебания происходят поперёк распространения, хотя механической волне для этого нужна среда.

Электромагнитная волна переносит энергию от источника в другие области пространства. В вакууме её скорость равна скорости света — примерно 3 · 10⁸ м/с. В веществе скорость меняется в зависимости от свойств среды, поэтому для расчётов нужно учитывать, где именно распространяется волна.

Составляющие электромагнитной волны

Сравнивайте направления в строках таблицы, чтобы не спутать колебания полей с движением волны. Например, электрическое поле не направлено вдоль распространения: оно перпендикулярно ему. Обе составляющие взаимосвязаны, поэтому рассматриваются как части одной электромагнитной волны.

Разбор задач

Задача 1. Ускоренно движущийся заряд создаёт возмущение поля. Объясните, почему оно может распространяться от заряда. Сначала нужно определить, что именно меняется у источника, а затем проследить связь двух составляющих поля. Вопрос не требует вычислений: достаточно объяснить причину распространения.

1. При ускоренном движении заряд изменяет создаваемое им электрическое поле. Это изменение не ограничивается самой точкой, где находится заряд.
2. Изменяющееся электрическое поле связано с возникновением магнитного поля. Изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, связано с появлением электрического.
3. Следовательно, возмущение поля может передаваться дальше от заряда благодаря взаимосвязи электрической и магнитной составляющих. Оно распространяется как электромагнитная волна.

Ответ: возмущение распространяется, потому что изменения электрического и магнитного полей связаны и поддерживают передачу волны от источника.

Задача 2. Волна распространяется вправо, а электрическое поле колеблется вертикально. Укажите, как направлено магнитное поле относительно этих направлений. Из условия уже известны два направления, поэтому нужно использовать свойство поперечности электромагнитной волны. Это свойство требует взаимной перпендикулярности всех трёх направлений.

1. Направление распространения — вправо, а электрическое поле колеблется вертикально. Эти направления перпендикулярны.
2. Магнитное поле должно быть перпендикулярно и направлению распространения, и направлению электрического поля. Поэтому оно направлено поперёк плоскости, в которой лежат эти два направления.
3. По данным задачи нельзя выбрать, направлено ли поле к наблюдателю или от него: для этого потребовалось бы дополнительное условие о направлении колебаний или фазе.

Ответ: магнитное поле перпендикулярно и направлению вправо, и вертикальному направлению электрического поля; оно направлено поперёк обоих.

Задача 3. Сколько времени потребуется электромагнитной волне в вакууме, чтобы пройти 600 км? Скорость света равна 3 · 10⁸ м/с. Для решения важно привести расстояние к метрам, потому что скорость задана в метрах в секунду. Затем используем связь времени, расстояния и скорости: t = s/v.

1. Переведём расстояние: 600 км = 600 000 м = 6 · 10⁵ м.
2. Подставим расстояние и скорость в формулу: t = s/v = (6 · 10⁵ м)/(3 · 10⁸ м/с) = 2 · 10⁻³ с.
3. Проверим порядок величины: скорость очень велика, поэтому на прохождение 600 км требуется малая доля секунды. Полученный результат равен 0,002 с.

Ответ: 0,002 с, или 2 мс.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что электромагнитная волна распространяется только в веществе. Так думают по аналогии со звуком, которому необходима среда. Проверь себя: вспомни, что электромагнитные волны могут проходить через вакуум.

• Ошибка — смешивать направление распространения волны и направление колебаний поля. Их можно перепутать, если воспринимать волну как движение поля вдоль пути. Проверь себя: для поперечной волны колебания направлены перпендикулярно распространению.

• Ошибка — считать электрическое и магнитное поля независимыми. Они могут казаться отдельными явлениями, но изменения одного поля связаны с возникновением другого. Проверь себя: при объяснении распространения волны обязательно укажи связь обеих составляющих.

• Ошибка — утверждать, что скорость волны всегда равна скорости света в вакууме. Это верно для вакуума, но не для любой среды. Проверь себя: уточни, где распространяется волна, и для вещества учитывай свойства среды.

Связь с другими темами

Для понимания электромагнитных волн нужны знания об электрическом и магнитном полях, а также о движении зарядов: именно изменение движения заряда может стать источником излучения. С механическими поперечными волнами электромагнитные волны сходны направлением колебаний относительно распространения, но отличаются тем, что могут идти без вещества. Эта тема служит основой для изучения света, радиосвязи и электромагнитного спектра. Позже эти знания помогут объяснить, как передаются сигналы и чем различаются виды электромагнитного излучения.

Что запомнить

• Электромагнитная волна — распространяющееся возмущение электромагнитного поля.
• Источником электромагнитных волн могут быть ускоренно движущиеся заряды.
• Изменяющиеся электрическое и магнитное поля связаны между собой.
• Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.
• Электрическое поле, магнитное поле и направление распространения волны взаимно перпендикулярны.
• В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
• Электромагнитная волна переносит энергию.