Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 29. Електромагнітні хвилі

Утворення та поширення електромагнітних хвиль. Як ви знаєте, можливість існування електромагнітних хвиль теоретично довів Джеймс Максвелл, практично отримав їх Генріх Герц у 1888 р. Щоб здобути електромагнітні хвилі, Герц запропонував використовувати так званий диполь, який ще називають відкритим коливальним контуром. Розглянутий коливальний контур, у якому відбуваються електромагнітні коливання, не випромінює електромагнітних хвиль. У ньому відбуваються перетворення енергії електричного поля конденсатора на магнітне поле котушки, і витрат енергії на утворення хвиль майже немає.

Про електромагніті хвилі ми вже дещо знаємо з курсу фізики 9 класу. Пригадати основні відомості можна в електронному додатку.

Розглянемо диполь, що складається з двох провідних стержнів (мал. 134) і підключений до джерела змінного струму. Малюнок 134, а відповідає моменту, коли диполь щойно підключили до джерела. Електричний струм створює магнітне поле, силові лінії індукції магнітного поля замкнені й охоплюють стержні: праворуч від стержнів вектор індукції напрямлений від нас ⊗, а ліворуч від стержнів — на нас ⦿ (на малюнку не показано). ЕРС генератора проходить через максимум і починає зменшуватися; струм змінює напрямок, і його магнітне поле також змінює напрямок. Оскільки напрямок нових полів протилежний попередньому, то силові лінії полів замикаються, утворюючи замкнені контури (мал. 134, б). Утворене раніше поле не зникає — воно поширюється в просторі. І згодом картина силових ліній матиме вигляд, зображений на малюнку 134, в. Оскільки диполь не є точковим джерелом, то поля поширюються у просторі, віддаляючись у напрямку, перпендикулярному до його осі в обидва боки, а вздовж осі випромінювання немає (мал. 134, г).

Мал. 134. Процес утворення електромагнітної хвилі

Вивчаючи механічні хвилі, ми ознайомились із деякими характеристиками хвильового руху: фронт хвилі, промінь, довжина хвилі. Усі ці поняття застосовні і для електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі — це явище поширення в просторі електромагнітних коливань, тобто взаємопов'язаних коливань електричного й магнітного полів, які являють собою єдине електромагнітне поле. У довільній точці вектори взаємно перпендикулярні та перпендикулярні до напрямку поширення (мал. 135).

Мал. 135. Схематичне зображення плоскополяризованої електромагнітної хвилі

Оскільки електромагнітні хвилі генерує електричний струм, тобто заряджені частинки, що рухаються з прискоренням, то правильним буде й загальне твердження: електричний заряд під час прискореного руху є джерелом електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі є поперечними хвилями, але на відміну від механічних хвиль у них відбуваються коливання полів, а не речовини.

За довжиною хвилі λ або частотою коливань (ν) межі діапазону електромагнітних хвиль — від 1011 м (3 · 10-3 Гц) до 10-11 м (3 · 1019 Гц). Цей діапазон уміщує радіохвилі, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та γ (гамма)-випромінювання (мал. 136, с. 152).

Мал. 136. Шкала електромагнітних хвиль

Чи можете ви назвати найбільше число, що характеризує довжину або проміжок часу? Максимальне значення енергії або потужності? Для опису конкретних об'єктів ви можете вказати орієнтовні максимальні значення цих величин, але стверджувати, що вони є граничними — не можете. Єдина фізична величина, яка має фіксоване граничне значення, — це швидкість світла у вакуумі. Окрім того, що це фізична величина, це ще й фізична константа. Швидкість, із якою світлові хвилі поширюються у вакуумі, не залежить ні від руху джерела хвиль, ні від системи відліку спостерігача. Постулат про інваріантність швидкості світла вперше в 1905 р. запропонував Альберт Ейнштейн у своїй спеціальній теорії відносності. Відтоді інваріантність швидкості світла незмінно підтверджується безліччю експериментів.

Величину, яка показує, у скільки разів швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі більша, ніж у певному середовищі, називають абсолютним показником заломлення цього середовища,

Зазначимо, що діелектрична проникність середовища ε в цій формулі не збігається з діелектричною проникністю того самого середовища для випадку електростатичної взаємодії, оскільки ε залежить від частоти коливань. Однак ε завжди більша за одиницю, а μ для діелектриків, у яких можуть поширюватись електромагнітні хвилі, практично можна вважати таким, що дорівнює одиниці. Тому в будь-якому середовищі швидкість поширення електромагнітних хвиль менша, ніж у вакуумі, тобто nзавжди більший за одиницю.

Звертаємо увагу, що під час переходу з одного середовища в інше частота коливань не змінюється. Змінюється швидкість поширення та довжина хвилі.

Енергія електромагнітної хвилі. Випромінені електромагнітні хвилі несуть із собою енергію. Ця енергія складається з енергії електричного We і магнітного Wм полів. Оскільки в електромагнітній хвилі відбуваються взаємні перетворення електричного та магнітного полів, то згідно із законом збереження і перетворення енергії: We = Wм.

Тобто дія на електричні заряди електричної складової поля хвилі значно сильніша за дію її магнітної складової.

Оскільки, як ми з'ясували, електромагнітні хвилі переносять енергію, то під час поширення хвилі виникає потік електромагнітної енергії. Розрахуємо густину потоку електромагнітного випромінювання. Для цього виділимо поверхню площею S, перпендикулярну до напрямку поширення хвилі. За час Δt через неї пройде енергія ΔW.

Відношення електромагнітної енергії ΔW, що проходить за час Δt через перпендикулярну до променів поверхню площею S, до добутку площі S на час Δt називають густиною потоку електромагнітного випромінювання І,

Фактично це — потужність електромагнітного випромінювання (енергія за одиницю часу), що проходить через одиницю площі поверхні.

Одиниця густини потоку випромінювання в СІ — ват на метр у квадраті,

Іноді цю величину називають інтенсивністю хвилі. Спробуйте самостійно довести, що густина потоку випромінювання дорівнює добутку густини електромагнітної енергії на швидкість її поширення, I = ωc.

Ще одна важлива властивість електромагнітних хвиль. Оскільки електромагнітні хвилі випромінюються внаслідок прискореного руху частинок, то напруженість електричного поля і магнітна індукція пропорційні прискоренню випромінюючих частинок. Як відомо, для гармонічних коливань прискорення пропорційне квадрату частоти. Тому напруженість електричного поля і магнітна індукція також пропорційні квадрату частоти, E ~ ν2 та B ~ ν2. Своєю чергою, густина енергії електромагнітного поля пропорційна квадрату напруженості ω ~ E2 (або квадрату індукції магнітного поля ω ~ B2). Відповідно інтенсивність електромагнітної хвилі (густина потоку випромінювання) пропорційна частоті в четвертому степені, I ~ ν4. Із цього випливає таке. Якщо ми хочемо отримати поширення електромагнітних хвиль на велику відстань, ця хвиля повинна мати велику енергію (адже енергія хвилі поширюється в усі боки розсіючись). Серед усіх параметрів, від яких залежить енергія хвилі, найефективніше збільшувати її частоту. (Збільшивши частоту у 2 рази, збільшимо густину потоку випромінювання в 16 разів.) Тому в антенах радіостанцій збуджуються коливання високих частот — від десятків тисяч до десятків мільйонів герц. Зрозуміло, що змінні струми промислової частоти 50 Гц практично не випромінюють.

ЗНАЮ,ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Дайте визначення електромагнітної хвилі. 2. Якими фізичними величинами описують електромагнітні хвилі? 3. Від яких величин залежить густина енергії електромагнітної хвилі; густина потоку випромінювання?