Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 19. Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Читали ли вы в детстве сказки? Вспомните: «катится золотое яблочко по серебряному блюдечку», и герой сказки видит «горы высокие, моря глубокие» и многое другое, что происходит за «семью морями и семью горами». Что вам напоминает это сказочное устройство? Наверное, в том числе и мобильный Интернет. О том, какие открытия в физике позволили изобрести такую «сказочную» вещь, пойдет речь в этом параграфе.

1. Узнаём об электромагнитном поле

Напомним: существуют два вида материи — вещество и поле. Оба существуют реально, а не представляют собой некую «модель», предназначенную для объяснения тех или иных физических явлений.

В прошлом учебном году вы узнали об электрическом поле, в этом году — о магнитном поле. Вы также выяснили, что изменяющееся магнитное поле не только действует на движущиеся заряженные частицы и намагниченные тела, но и создает электрическое поле. К такому выводу пришел в свое время Майкл Фарадей.

Руководствуясь принципом симметрии, Джеймс Максвелл (рис. 19.1) выдвинул подтвержденную со временем гипотезу о том, что не только изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а и изменяющееся электрическое поле создает магнитное. Согласно этой гипотезе электрические и магнитные поля всегда существуют вместе и нет смысла рассматривать их как отдельные объекты. То есть существует единое электромагнитное поле, а электрическое и магнитное поля — это две составляющие (две формы проявления) электромагнитного поля.

Рис. 19.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — английский физик и математик, творец классической электродинамики, один из основателей статистической физики

Электромагнитное поле — вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами и частицами и намагниченными телами.

Кто-то может не согласиться с выводом Максвелла, вспомнив, что, например, вблизи неподвижного заряженного тела существует только электрическое поле, а вблизи неподвижного постоянного магнита — только магнитное поле. Но ведь движение и покой зависят от выбора системы отсчета!

Представьте: держа в руках заряженный шарик, вы идете к своему товарищу. Если бы человек мог «видеть» электромагнитное поле, в данном случае вы «видели» бы только одну его составляющую — электрическое поле, так как относительно вас заряд неподвижен. В то же время ваш товарищ «видел» бы и электрическое поле, и магнитное, потому что относительно него заряд движется и электрическое поле изменяется (см. рис. 19.2).

Рис. 19.2. В системе отсчета, связанной с мальчиком, обнаруживается только электрическая составляющая электромагнитного поля. В системе отсчета, связанной с девочкой, обнаруживаются обе составляющие — и электрическая, и магнитная

• Если ваш товарищ возьмет магнит и будет удаляться от вас (см. рис. 19.3), кто «обнаружит» только магнитное поле, а кто — и магнитное, и электрическое?

Рис. 19.3. К вопросу в § 19

Таким образом, утверждение, что в данной точке существует только электрическое (или только магнитное) поле, не имеет смысла, ведь не указана система отсчета. Вместе с тем мы никогда не найдем систему отсчета, относительно которой «исчезли» бы обе составляющие электромагнитного поля, ведь электромагнитное поле материально.

2. Создаем электромагнитные волны

Проанализировав все известные законы электродинамики, Дж. Максвелл исключительно математически получил фантастический на то время вывод: в природе должны существовать электромагнитные волны.

Электромагнитная волна — это распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.

Попробуем представить, как образуется и распространяется электромагнитная волна. Возьмем проводник, в котором течет переменный ток (рис. 19.4). Как известно, вблизи любого проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле, созданное переменным током, тоже является переменным. Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле должно создать электрическое поле, которое тоже будет переменным. Переменное электрическое поле создаст переменное магнитное поле и т. д. Таким образом получим распространение колебаний электромагнитного поля — электромагнитную волну (рис. 19.5). Частота этой волны равна частоте, с которой изменяется сила тока в проводнике, а проводник с переменным током является источником электромагнитной волны.

Рис. 19.4. Переменный ток — это ток, сила которого периодически изменяется: со временем значение силы тока то увеличивается, то уменьшается; изменяется и направление тока

Рис. 19.5. Схематическое изображение механизма распространения электромагнитной волны

Электромагнитная волна, как и механическая (вспомните распространение волны от брошенного в воду камешка), может оторваться от своего источника и начать самостоятельно распространяться в пространстве. Интересно, что некоторые электромагнитные волны «путешествуют» во Вселенной почти с начала ее существования!

По теории Максвелла, источником электромагнитной волны может быть любая заряженная частица, движущаяся с ускорением (то есть частица, которая все время изменяет скорость своего движения или по значению, или по направлению, или одновременно и по значению, и по направлению). Если же частица неподвижна или движется с неизменной скоростью, вблизи этой частицы существует электромагнитное поле, однако электромагнитную волну она не излучает.

Излучением электромагнитных волн сопровождаются и некоторые процессы, происходящие внутри молекул, атомов, ядер атомов (теория таких процессов — квантовая теория — была создана в XX в.).

3. Характеризуем электромагнитную волну

Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется частотой (ν), длиной (λ) и скоростью распространения (v). Так же, как в случае с механическими волнами, данные величины связаны формулой волны:

v = λν

В отличие от механических волн, для распространения электромагнитных волн среда не нужна. Наоборот, лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Дж. Максвелл теоретически вычислил скорость распространения электромагнитной волны в вакууме и с удивлением обнаружил, что полученное значение совпадает со значением скорости света в вакууме (к тому времени оно уже было измерено экспериментально):

ν = с = 3 • 10⁸ м/с

Дж. Максвелл выдвинул правильное и смелое на то время предположение: свет является разновидностью электромагнитных волн (рис. 19.6). Ученый не только установил природу света, но и предугадал существование и свойства разных видов электромагнитных волн.

Рис. 19.6. Свет — это электромагнитные волны. Частота этих волн изменяется примерно от 4 • 10¹⁴ Гц (красный цвет) до 7,5 • 10¹⁴ Гц (фиолетовый цвет)

В вакууме — и только в нем — все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью (с), поэтому для вакуума длина и частота электромагнитной волны связаны формулой:

с = λν

При переходе из одной среды в другую скорость распространения электромагнитной волны изменяется, изменяется и длина волны, а вот частота остается неизменной. В воздухе скорость распространения электромагнитных волн почти такая же, как в вакууме.

Рис. 19.7. Генрих Рудольф Герц (1857-1894) — немецкий физик, один из основателей электродинамики

Теория электромагнитного поля Максвелла была подтверждена экспериментально через 15 лет после создания: Генрих Герц (рис. 19.7) продемонстрировал излучение и прием электромагнитных волн. Получив электромагнитные волны, Г. Герц изучил их свойства. Он, в частности, установил, что электромагнитные волны:

• отражаются от проводящих предметов (угол отражения равен углу падения);
• преломляются на границе с диэлектриком;
• частично поглощаются веществом и частично рассеиваются им.

Все эти явления обусловлены действием электромагнитного поля на заряженные частицы в веществе. Так, если электромагнитная волна падает на поверхность металла, то на свободные электроны действует переменное электрическое поле (электрическая составляющая электромагнитной волны). В результате в поверхностном слое металла возникают переменные электрические токи, которые и излучают отраженную электромагнитную волну.

Подводим итоги

Взаимодействие заряженных тел и частиц осуществляется при помощи электромагнитного поля. Электромагнитное поле имеет две составляющие (две формы проявления) — электрическую (электрическое поле) и магнитную (магнитное поле): изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Распространение в пространстве переменного электромагнитного поля называют электромагнитной волной. Скорость распространения волны, ее длина и частота связаны формулой волны: ν = λν. Лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова для любых электромагнитных волн и равна скорости света: с = 3 • 10⁸ м/с. Свет тоже является электромагнитной волной. Для вакуума формула волны имеет вид: c = λν.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается гипотеза Дж. Максвелла? 2. Дайте определение электромагнитного поля, назовите его составляющие. 3. Приведите примеры подтверждающие относительность электрического и магнитного полей. 4. Как образуется электромагнитная волна? Какие объекты могут ее излучать? 5. Какие физические величины характеризуют электромагнитную волну? Как они связаны? 6. Какие свойства электромагнитных волн установил Г. Герц?

Упражнение № 19

1. Выберите правильные ответы из предложенных.

Электромагнит подъемного крана работает от постоянного тока. Определите:

• 1) когда электромагнит создает для оператора крана и электрическое, и магнитное поля;
• 2) когда электромагнит излучает электромагнитные волны.

а) в момент замыкания цепи; б) в момент размыкания цепи; в) когда электромагнит, двигаясь равномерно, переносит груз; г) когда неподвижный электромагнит держит груз.

2. Дополните таблицу, считая, что волны распространяются в воздухе.

Источник волны	Длина	Частота	Скорость
Провод линии электропередачи		50 Гц
Радиопередатчик	10 см
Инфракрасный излучатель	1,5 мкм

3. По данным рис. 19.6 определите длины электромагнитных волн для фиолетового и красного света. Рассмотрите два случая: свет распространяется а) в вакууме; б) в стекле (показатель преломления стекла для красного света равен 1,64, для фиолетового света — 1,67).

4. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте об изобретении радио. Сделайте краткое сообщение.

5. Лодка качается в открытом море. Волны распространяются со скоростью 12 м/с; длина волны — 24 м. Какова частота ударов волн о корпус лодки? Каково время между ударами?