Из этого урока мы узнаем, что представляет из себя свет, почему волны разделяют на некоторые категории и какова их природа возникновения, а также изучим некоторые характеристики и свойства электромагнитных волн.
Модель электромагнитной волны
Пока рассмотрим самую простую модель: электромагнитную волну, которая представляет собой распространение синусоидальных колебаний поля. Когда мы рассматривали механические волны, мы тоже начинали с распространения синусоидальных колебаний вещества.
Что такое колебания поля? То же, что и в случае с веществом: периодически повторяющиеся изменения физических параметров. Здесь это параметры поля: напряженность, магнитная индукция (см. рис. 1).
Рис. 1. Электромагнитная индукция
Как эти изменения распространяются? Давайте рассмотрим это в моделях электрического и магнитного поля, которые мы уже хорошо изучили.
Магнитная составляющая электромагнитного поля проявляется при движении заряда в данной системе отсчета. Но при движении заряда меняется электрическое поле, поэтому можно считать, что магнитное поле возникает при изменении электрического поля. Поскольку все эти формулировки эквивалентны, выберем в качестве модели последнюю: при изменении электрического поля возникает магнитное поле.
При движении заряда с постоянной скоростью возникает постоянное магнитное поле – мы изучали магнитное поле проводника с постоянным током. А что, если заряд движется с ускорением? Скорость движения заряда изменяется, значит, изменяется магнитное поле вокруг этого заряда. А что происходит при изменении магнитного поля? Один такой случай мы описали как электромагнитную индукцию: изменение магнитного поля. Его мы рассматривали как изменение магнитного потока через контур, которое вызывает ток в этом контуре. Вообще ток по проводнику просто так не течет, заряды движутся под действием электрического поля. Поэтому можно описать это так: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Почему вихревое – потому что оно не направлено от положительного заряда к отрицательному, оно замкнуто, и под его действием заряды движутся по кругу (см. рис. 2).
Рис. 2. Возникновение электромагнитной волны
Так вот, изменение электрического поля создает вихревое магнитное поле (оно всегда вихревое, линии магнитного поля замкнуты), а изменение магнитного поля создает вихревое электрическое поле. А его изменение, в свою очередь, создает магнитное поле, и так далее – таким образом можно описать распространение электромагнитной волны.
Мы увидели на качественном уровне, каким образом возмущение в одной области вызывает возмущение в соседней. Такая связь – это необходимое условие распространения волны. В случае с механическими волнами есть силы, возникающие при деформации вещества, сила натяжения веревки и т. д. В случае с электромагнитными волнами мы проследили такую цепочку: при ускоренном движении заряда изменение электрического поля вызывает появление магнитного, а изменение магнитного поля вызывает появление электрического.
Если описать эти процессы математически, как это сделал Максвелл, то получится система уравнений, простейшим решением которой действительно будет синусоидальная волна. Эта волна поперечная, то есть возникающие при ее распространении поля направлены перпендикулярно направлению ее распространения. Математика там достаточно сложная, ею мы сейчас заниматься не будем. Воспользуемся готовым результатом: система уравнений решается, решение представляет собой волну, и экспериментально подтвердилось, что это решение достаточно точно описывает реальные электромагнитные волны (см. рис. 3).
Рис. 3. Электромагнитная волна
Какие у нас уже есть инструменты для описания волн? Длина волны, скорость распространения волны, а так как распространяются колебания, то и частота. Эти понятия применимы и к электромагнитным волнам, и означают они то же, что и для других волн. Скорость распространения волны – это скорость перемещения возмущения. Длина волны – это расстояние между соседними точками пространства, в которых параметры поля колеблются в одинаковой фазе. Частота – это частота колебаний параметров поля в данной точке (см. рис. 4).
Рис. 4. Характеристики электромагнитных волн
Для электромагнитных волн справедливо уравнение, полученное для механических волн:
Скорость электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна приблизительно 300 000 км/с, эту постоянную обычно обозначают отдельной буквой, 
. В веществе эта скорость немного уменьшается, при этом уменьшается длина волны, а частота остается неизменной, об этом чуть позже. А скорость распространения электромагнитных волн – это вообще максимально возможная в природе скорость, ни один материальный объект не может двигаться с большей скоростью.
«Беспроводная» передача информации
При распространении волн не перемещается вещество, но перемещается возмущение и передается энергия. Это удобно использовать для передачи информации. Что такое вообще информация? Это понятие очень широкое, и одного четкого определения нет. Для физиков, которые решают задачу передачи информации, важно вот что: это какой-то сигнал, какое-то изменение физических величин, которое может быть расшифровано и интерпретировано, а значит, пóнято.
Как мы передаем информацию через звук при общении? Распространяется возмущение давления, передается механическая энергия колебаний воздуха. И когда волна достигает барабанной перепонки, перенесенная волной энергия превращается в ее энергию колебаний (см. рис. 5).
Рис. 5. Как мы слышим звуки
Дальше этот сигнал преобразуется, и в конечном итоге мозг интерпретирует полученный сигнал. Информацию может нести само наличие звука, может что-то означать его длительность и высота, по тембру мы догадываемся об источнике звука. Есть более сложные наборы звуков, в которых мы зашифровали буквы и слова, здесь уже сложная информационная нагрузка.
Мы не изобретали речь намеренно: «Мне нужно передать информацию, как бы ее зашифровать в виде звуков, чтобы другой человек ее понял?». Люди развивали речь интуитивно, подсознательно и пользовались ею задолго до того, как разобрались в механических волнах и в нервных импульсах. Мы до сих пор до конца не знаем многих деталей – например, как именно наш мозг дешифрует звуковые сигналы, то есть распознает речь.
Как передать информацию с помощью электромагнитных волн? Нужен передатчик и приемник. Когда мы рассматривали процесс распространения электромагнитной волны, то начинали с заряда, который движется с ускорением. Нам удобнее всего создавать движение заряда по проводам, мы его называем электрическим током. То есть нужен переменный электрический ток.
Подумаем, какой частоты должен быть этот ток. Скорость распространения электромагнитных волн огромна, 300 000 км/с. Если частота будет составлять несколько герц, пусть даже 50 Гц, как в бытовой сети питания, то длина такой волны будет равна:
Это 6000 км. Если решить инженерную задачу по расчету параметров излучателя, то окажется, что длина волны должна быть сопоставима с размерами антенны передатчика и приемника. И даже без расчетов это выглядит логичным: нам важно, что в одной точке параметры поля одни, в другой – другие, и это нужно зарегистрировать. А если эти точки разнесены на тысячи километров, то сделать это с помощью маленькой антенны (см. рис. 6) не получится. Для реализации связи нужна меньшая длина волны, а значит, бóльшая частота.
Рис. 6. Антенна
Есть еще одна причина, по которой волны с малой частотой использовать проблематично. Изменение магнитного поля порождает электрическое поле, а изменение электрического поля порождает магнитное. Причем величина возникающего поля пропорциональна скорости изменения. Вспомните: мы рассматривали явление электромагнитной индукции, там как раз сила тока в замкнутом контуре тоже пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Поэтому если частота тока будет слишком малой, то есть ток и возникающие вокруг поля будут изменяться медленно, то передаваемая энергия будет малой.
На практике электромагнитные волны с частотами в единицы герц тоже используются для специфических задач, таких как связь с подводными лодками, но более распространено использование частот от десятков и сотен кГц до десятков МГц в радиовещании, порядка сотен МГц и единиц ГГц для мобильной связи, единиц и десятков ГГц в сетях wi-fi и т. д. Используя формулу 
, можете посчитать, каким длинам волн соответствуют эти частоты.
Оказывается, свет тоже можно считать электромагнитной волной, для его описания подходит эта модель. Как мы воспринимаем механические волны разных частот в виде звуков разной высоты, так и электромагнитные волны определенных частот мы воспринимаем как свет определенного цвета. Частоты этих волн намного больше частот, применяемых в радиосвязи, подробнее об этом в ответвлении. А мы возвращаемся к радиоволнам.