§ 20. Електромагнітне поле і електромагнітні хвилі. Швидкість поширення, довжина і частота електромагнітної хвилі

Англійський фізик Джеймс Кларк Максвелл зробив вагомий внесок у вивчення основних властивостей електромагнітного поля. Він поставив запитання: якщо змінне магнітне поле породжує електричне, то чи існує у природі зворотний процес, коли змінне електричне поле, у свою чергу, породжує магнітне?

Максвелл припустив, що такий процес у природі реальний: у всіх випадках, коли електричне поле змінюється, воно породжує магнітне поле.

Згідно з гіпотезою Максвелла магнітне поле, наприклад під час розрядки конденсатора (прилад для накопичення електроенергії, мал. 231), не лише створюється струмом у провіднику, але й збуджується електричним полем, яке змінюється у просторі між обкладками конденсатора. Причому змінне електричне поле створює таке магнітне поле, ніби між обкладками існує електричний струм, який дорівнює значенню струму у провіднику.

Мал. 231

Правильність гіпотези Максвелла була доведена відкриттям електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі існують тільки тому, що змінне магнітне поле породжує змінне електричне поле, яке, у свою чергу, породжує магнітне поле.

Після відкриття взаємозв’язку між електричним і магнітним полями стало зрозуміло, що ці поля не існують окремо, незалежно одне від одного: не можна створити змінне магнітне поле без того, щоб одночасно у просторі не виникло і змінне електричне поле. І навпаки, змінне електричне поле не може існувати без магнітного.

Електричні й магнітні поля - це прояви єдиного цілого, яке можна назвати електромагнітним полем.

Електромагнітне поле — особлива форма матерії. Воно існує реально, тобто незалежно від нас, від наших знань про нього. Його можна виявити тільки за допомогою спеціальних приладів.

Уявіть, що електричний заряд змусили дуже швидко коливатися вздовж деякої прямої так, щоб він рухався подібно до вантажу, підвішеного на пружині, але значно швидше. Тоді електричне поле, яке існує навколо заряду, періодично буде змінюватися.

Змінне електричне поле створює магнітне поле, яке також періодично змінюється, а це друге, у свою чергу, буде причиною появи змінного електричного поля вже на більшій відстані від заряду і т. д.

Мал. 232

У просторі навколо заряду, захоплюючи відповідні ділянки, створюється система періодично змінних електричних і магнітних полів, перпендикулярних одне до одного.

На малюнку 232 представлено «миттєвий знімок» такої системи полів. Створюється те, що ми називаємо електромагнітною хвилею, яка поширюється в усіх напрямках від коливального заряду.

Заряди, які коливаються, випромінюють електромагнітні хвилі. При цьому важливе значення має зміна швидкості руху таких зарядів із часом.

Максвелл був глибоко переконаний, що електромагнітні хвилі існують реально. Лише через 10 років після його смерті електромагнітні хвилі вперше експериментально зафіксував німецький фізик Генріх Герц. Він скористався простим пристроєм, який називають вібратором Герца. Цей пристрій є відкритим коливальним контуром.

Схематичний перехід від замкнутого коливального контуру до відкритого показано на малюнку 233. У закритому коливальному контурі потрібно поступово розсовувати пластини конденсатора одночасно, зменшуючи їх площу і кількість витків котушки. Фактично, закритий коливальний контур перетворюється у прямий відрізок провідника.

Для збудження коливань у такому контурі за часів Герца робили так. Провідник розрізали посередині, залишаючи невеликий проміжок, який називають іскровим (мал. 234).

Потім обидві частини провідника заряджали доти, доки між ними не проскакувала іскра (мал. 235), коло замикалося і у відкритому контурі виникали коливання.

Мал. 233

Мал. 234

Мал. 235

Коливання в контурі затухаючі, оскільки контур має опір і, крім того, енергія витрачається на випромінювання електромагнітних хвиль. Після того як коливання припиняються, джерело знову заряджає обидва провідники до настання пробою іскрового проміжку і процес повторюється.

Щоб отримати незатухаючі коливання у відкритому коливальному контурі, його з’єднують з коливальним контуром спеціального приладу - генератора, який є джерелом незатухаючих коливань.

Герц не лише отримав електромагнітні хвилі, але й установив, що вони є подібними до інших видів хвиль. Зокрема, він спостерігав відбивання електромагнітних хвиль від металевого листа. За допомогою дослідів він установив, що швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнює 300 000 км/с.

Електромагнітні хвилі поширюються у просторі зі швидкістю с, яка дорівнює 300 000 км/с.

Відстань, на яку переміщується електромагнітна хвиля за час, що дорівнює одному періоду коливань, називають довжиною хвилі.