Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru
Рисунок 2.6.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла
Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru
Рисунок 2.6.2. Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru и Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru
Рисунок 2.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru , Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru и Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: wэ = wм.

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru и напряженности электрического поля Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru в каждой точке пространства связаны соотношением



Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ0. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

где E0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

где wэм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Отсюда следует:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный моментp (t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru
Рисунок 2.6.4. Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. - student2.ru
Рисунок 2.6.5. Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Наши рекомендации