§ 27. Електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі

У 60-х роках XIX ст. Максвелл розробив теорію електромагнітного поля, за якою змінне електричне поле породжує змінне магнітне. Ці поля мають вихровий характер: силові лінії поля, яке породжує, концентрично охоплені силовими лініями поля, що породжується. Унаслідок цього утворюється система «переплетених» між собою електричних і магнітних полів. Деяке уявлення про характер змінного електромагнітного поля може дати малюнок 2.29, який є ніби миттєвим знімком цього поля.

Мал. 2.29

Пряма лінія Е₀, відображає первинне змінне електричне поле, кола В у горизонтальній площині — це вторинні змінні магнітні поля, а кола Е у вертикальній площині — вторинні змінні електричні поля.

Магнітне поле виникає навколо провідників, у яких проходять струми. Силові лінії магнітного поля завжди замкнені, звідси випливає, що електричні струми, які породжують магнітне поле, також мають бути замкненими.

Щоб переконатися в цьому, розглянемо випадок, коли в електричне коло увімкнено конденсатор. Між обкладками конденсатора заряди переміщуватися не можуть. Це призводить до того, що лінії струму обриваються біля поверхні обкладок конденсатора, струм провідності, який проходить по провіднику, що з’єднує обкладки конденсатора, роз’єднується. Якщо напруга джерела струму змінна, то при замиканні ключа К (мал. 2.30) конденсатор поперемінно заряджається і розряджається, у колі проходить струм, лампочка, увімкнена в це коло, світиться. Це свідчить про те, що лінії струму замкнені.

Мал. 2.30

Між обкладками конденсатора змінний електричний заряд створює змінне електричне поле, яке Максвелл назвав струмом зміщення.

Струм зміщення — змінне електричне поле, як і струм провідності, породжує магнітне поле, силові лінії якого завжди замкнені.

Отже, електричне і магнітне поля взаємозв’язані. Зміна одного з них породжує друге. Ці поля — прояв єдиного електромагнітного поля.

Взаємозв’язок електричного і магнітного полів обумовлює поширення електромагнітного поля в просторі. Уявімо, що у провіднику проходить змінний електричний струм. Тоді навколо цього провідника існує змінне магнітне поле В (мал. 2.31). Це поле, у свою чергу, створює змінне електричне поле E в сусідніх ділянках простору. Потім змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, яке знову спричиняє появу змінного електричного поля тощо. Отже, поширюючись на нові ділянки простору, електромагнітне поле переміщається з областей, де воно щойно існувало. Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює приблизно 300 000 км/с.

Мал. 2.31

Таким чином, електромагнітне поле може існувати самостійно, не будучи зв’язаним із зарядами і струмами. Це переконливий доказ матеріальності електромагнітного поля. У матеріальності електромагнітного поля переконує і той факт, що воно має певну енергію.

Поширення у просторі електромагнітного поля, у якому напруженість електричного й індукція магнітного полів змінюються періодично, називають електромагнітною хвилею.

Вектори напруженості E і магнітної індукції B в електромагнітній хвилі в будь-якій точці простору завжди взаємно перпендикулярні, оскільки лінії напруженості електричного поля охоплюють лінії індукції магнітного поля. Крім того, вони перпендикулярні й до напрямку поширення хвиль. Отже, електромагнітні хвилі — поперечні. Гармонічна електромагнітна хвиля графічно зображається у вигляді двох синусоїд, які лежать у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 2.32). Одна синусоїда відображає коливання вектора напруженості E електричного поля, а друга — вектора індукції B магнітного поля (обидва вектори коливаються в однаковій фазі).

Мал. 2.32

Як уже зазначалося раніше, джерелом електромагнітних хвиль може бути будь-який електричний коливальний контур або провідник, у якому проходить змінний електричний струм, оскільки для утворення електромагнітних хвиль потрібно створити в просторі змінне електричне поле (струм зміщення) або відповідно змінне магнітне поле. Випромінювальна здатність джерела електромагнітних хвиль визначається його формою, розмірами і частотою коливань. Щоб випромінювання було помітним, потрібно збільшити об’єм простору, у якому створюється змінне електромагнітне поле. Тому для одержання електромагнітних хвиль не придатні закриті коливальні контури, оскільки в них електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора, а магнітне — усередині котушки індуктивності.

Німецький фізик Генріх Герц (1857-1894) у своїх дослідах, зменшуючи число витків котушки і площу пластин конденсатора, а також розсовуючи їх (мал. 2.33, а, б), здійснив перехід від закритого коливального контуру до відкритого коливального контуру (вібратор Герца). Він складається з двох стержнів, розділених іскровим проміжком (мал. 2.33, в). Якщо в закритому коливальному контурі змінне електричне поле зосереджене всередині конденсатора (мал. 2.33, а), то у відкритому — воно заповнює навколишній простір (мал. 2.33, в), що істотно підвищує інтенсивність електромагнітного випромінювання.

Мал. 2.33

Коливання в такій системі підтримуються за рахунок джерела ЕРС, увімкненого до обкладок конденсатора, а іскровий проміжок застосовується для того, щоб збільшити різницю потенціалів, до якої в початковий момент часу заряджаються обкладки конденсатора.

Для отримання електромагнітних хвиль вібратор Герца В під’єднували до індуктора І (мал. 2.34). Коли напруга на іскровому проміжку досягала пробивного значення, виникала іскра, яка замикала обидві половини вібратора, і в ньому виникали вільні затухаючі коливання. При зникненні іскри контур розмикався і коливання припинялися. Потім індуктор знову заряджав конденсатор, виникала іскра і в контурі знову спостерігалися коливання і т.д. Для реєстрації електромагнітних хвиль Герц використовував інший вібратор, який назвав резонатором Р, що мав таку саму частоту власних коливань, як і випромінювальний вібратор. Коли електромагнітні хвилі досягали резонатора, то в його зазорі виникала електрична іскра.

Мал. 2.34

Для одержання незатухаючих коливань потрібно створити автоколивальну систему, яка б забезпечувала подачу енергії із частотою, що дорівнює частоті власних коливань контуру. Тому в 20-х роках минулого сторіччя перейшли до генерування електромагнітних хвиль за допомогою електронних ламп. Лампові генератори давали змогу одержувати коливання заданої (практично будь-якої) потужності і синусоїдальної форми.

Приймання електромагнітних хвиль здійснюється за допомогою таких самих відкритих коливальних контурів — вібраторів або антен, подібних до випромінювального контуру. Під дією змінного електричного поля електромагнітної хвилі у приймальному контурі виникають електромагнітні коливання. Для їхнього якісного приймання потрібно, щоб приймальний коливальний контур був настроєний у резонанс з передавальним контуром. Тобто щоб власна частота коливань контуру приймальної антени була близькою до частоти коливань контуру передавальної антени. Настроювання приймального контуру в резонанс здійснюється конденсатором змінної ємності або котушкою змінної індуктивності.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що називають електромагнітним полем? Чи можуть електричні і магнітні поля існувати відокремлено одне від одного?
2. Що називають електромагнітною хвилею?
3. Як орієнтовані вектори і один відносно одного в електромагнітній хвилі?
4. Що є джерелом електромагнітних хвиль?
5. Як побудовано вібратор Герца, який принцип його дії?
6. Як здійснюється приймання електромагнітних хвиль?

Зміст