Фізика. З поглибленим вивченням фізики. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 27. Електромагнітне поле й електромагнітні хвилі

Ви дізнаєтесь

• Як утворюються й поширюються електромагнітні хвилі

Пригадайте

• Властивості електричного та магнітного полів

Механізми передачі взаємодії. З попередніх параграфів ви вже чітко усвідомили, що механічні хвилі поширюються лише в пружному середовищі в результаті взаємодії структурних часток речовини. Механічна хвиля переносить енергію без перенесення самої речовини. А чи можливе поширення коливань (збуджень) у середовищі, що не містить речовини? І чи існує в самій речовині інший механізм поширення енергії? Так, існує, і про нього ми вже неодноразово згадували. Пригадуєте, розповідаючи про механізми теплообміну, ми відзначали, що теплове випромінювання може поширюватись і в безповітряному просторі? Досліджуючи світлові явища, ми звертали вашу увагу на те, що світло — це теж випромінювання, а отже, може поширюватись у вакуумі. Вивчаючи особливості поширення електричного струму в металевих провідниках, ви дізналися, що швидкість поширення електричного поля (а отже, і струму) в провіднику і швидкість упорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме. Швидкість поширення електричного поля в провіднику є набагато більшою в порівнянні зі швидкістю упорядкованого руху електронів і становить близько 300 000 км/с. З такою самою швидкістю рухається й світло. А тепер настав час дослідити механізм утворення й поширення електромагнітного випромінювання.

Майкл Фарадей (1791-1867)

Англійський фізик-експериментатор і хімік

Гіпотеза Джеймса Максвелла. Досліджуючи явище електромагнітної індукції, учені помітили, що зміна магнітного поля, у якому перебуває провідний контур, спричинює появу в цьому контурі індукційного електричного струму, який у свою чергу утворює власне індуковане електричне поле. Це електричне поле відрізняється від того, яке ми вивчали, досліджуючи взаємодію нерухомих електрично заряджених тіл, тим, що воно має інші властивості. Силові лінії такого поля, як і магнітного, — замкнуті (тому такі поля ще називають вихровими). Окрім цього, таке електричне поле є змінним, а не постійним.

Джеймс Максвелл (1831-1879)

Англійський фізик, математик і механік

Джеймс Максвелл розвинув уявлення Майкла Фарадея про електромагнітну індукцію, довівши, що вихрове електричне поле може з’являтися в довільній частині простору, де існує змінне магнітне поле (незалежно від того, є там провідники, чи немає). І в середині 60-х років XIX ст. Джеймс Максвелл висунув гіпотезу, що існує й зворотний процес: змінне електричне поле спричинює появу змінного магнітного поля.

Сукупність взаємопов’язаних змінних електричного та магнітного полів називають електромагнітним полем.

У природі взагалі немає відокремлених одне від одного електричних і магнітних полів, а існує електромагнітне поле як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.

Отже, магнітне поле може створюватися не лише електричним струмом (тобто рухомими електричними зарядами), а й змінним електричним полем. Такий взаємозв’язок магнітного й електричного полів, що можуть поширюватися у просторі, був першою теоретичною моделлю електромагнітної хвилі.

Але Максвелл не дожив до того часу, коли існування електромагнітних хвиль було підтверджене експериментально. Лише через 10 років після його смерті німецький фізик Генріх Герц виявив електромагнітні хвилі за допомогою дослідів.

Генріх Герц (1857-1894)

Німецький фізик

Досліди Генріха Герца. Утворення й поширення електромагнітних хвиль. Для одержання електромагнітних хвиль Генріх Герц використовував так званий відкритий коливальний контур (мал. 180). Він складався з двох горизонтально розміщених мідних стержнів. На одному кінці цих стержнів кріпились маленькі латунні кульки, а на протилежний були надіті цинкові сферичні ковпаки. Переміщаючи ці ковпаки, можна було змінювати електромагнітні параметри контура. Стержні розміщувались таким чином, щоб між маленькими кульками залишався незначний повітряний проміжок.

Мал. 180. Схема установки дослідів Герца

До мідних стержнів з боку цинкових ковпаків приєднано обмотки котушки, яка з’єднана з джерелом електричного струму. У результаті цього на стержні подавались окремі імпульси високої напруги. При цьому між латунними кульками періодично виникав іскровий розряд. Такий пристрій, що здатний випромінювати електромагнітні хвилі, Герц назвав антеною.

Щоб реєструвати випромінені хвилі, Герц використав резонатор. Резонатор — це мідний провідник з латунними кульками на кінцях, зігнутий у формі кільця. Між латунними кульками має бути незначний повітряний проміжок. Змінюючи розміри та положення резонатора, можна налаштувати його на частоту електромагнітної хвилі, що випромінюється антеною. Іншими словами, відкритий коливальний контур (антена) і резонатор працювали в режимі резонансу: щоразу, коли в коливальному контурі відбувався іскровий розряд, між кульками резонатора також пробігала іскра.

Утворення іскри свідчило про те, що в просторі між двома системами відбувався процес, пов’язаний з передаванням енергії. У подальших експериментах Герц установив, що цей процес має властивості хвилі. Експериментатор спостерігав відбиття, заломлення та інші явища, що притаманні хвилям.

Герц зумів виміряти довжину електромагнітної хвилі та, обчисливши власну частоту електромагнітних коливань контура, визначив швидкість поширення хвилі. Виявилося, що вона дорівнює 3 • 10⁸ м/с (на той час було відомо, що з такою швидкістю поширюється світло).

Досліди Герца блискуче підтвердили теоретичні передбачення Максвелла, який був глибоко переконаний у тому, що електромагнітні хвилі існують.

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу дістав назву електромагнітна хвиля.

Швидкість поширення, довжина й частота електромагнітної хвилі.

Мал. 181. Модель електромагнітної хвилі

Електромагнітні хвилі, як і механічні, характеризуються довжиною хвилі, частотою й періодом.

Довжина електромагнітної хвилі (λ) — це відстань, на яку поширюється електромагнітна хвиля за один період.

З теорії Джеймса Максвелла випливає, що у вакуумі електромагнітні хвилі поширюються з максимально можливою у природі швидкістю 3 • 10⁸ м/с, а в речовині швидкість поширення електромагнітної хвилі с зменшується під впливом електричних і магнітних властивостей цього середовища. І той факт, що виміряна швидкість електромагнітних хвиль є такою самою, як і швидкість світла, став вирішальним у з’ясуванні природи світла й довів, що світло — це різновид електромагнітних хвиль.

Частота електромагнітної хвилі (ν) — це частота, з якою змінюються значення напруженості та індукції електромагнітного поля в даній точці простору; вона збігається із частотою коливань джерела електромагнітної хвилі.

Період електромагнітної хвилі (Т) дорівнює періоду коливань джерела електромагнітної хвилі.

Досліди Герца та пізніше проведені експерименти показали, що електромагнітні хвилі мають такі властивості:

• в однорідному середовищі вони поширюються рівномірно і прямолінійно;
• підлягають закону відбиття хвиль (при цьому краще відбиваються провідниками, ніж діелектриками);
• заломлюються згідно із законом заломлення хвиль і фокусуються;
• поглинаються;
• їм притаманні й інші хвильові явища.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Що називають електромагнітним полем? Чи можуть електричні й магнітні поля існувати відокремлено одне від одного?
• 2. Що називають електромагнітною хвилею?
• 3. З якою швидкістю поширюються електромагнітні хвилі у вакуумі? А в речовині?
• 4. Запишіть формулу, що демонструє зв’язок між швидкістю поширення хвилі, довжиною хвилі та частотою.
• 5. Які властивості електромагнітних хвиль ви знаєте?
• 6. Опишіть досліди в яких Генріх Герц створював і реєстрував електромагнітні хвилі. Які властивості електромагнітних хвиль було встановлено в ході цих дослідів?