Плоские электромагнитные волны и их свойства

Английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. впервые получил уравнения, описывающие динамику новой формы материи – электромагнитного поля. Теория электромагнитного поля Максвелла основана на следующих положениях.

1. Всякое изменение магнитного поля создает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис. 1.1 а). Линии напряженности вихревого электрического поля расположены в плоскости, перпендикулярной линиям индукции переменного магнитного поля, и охватывают их; они образуют с вектором «левый винт» (их направление соответствует правилу Ленца).

2. Всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряженности переменного электрического поля, и охватывают их (рис. 1.1 б). Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором «правый винт».

Переменные электрическое и магнитное поля могут существовать в пространстве в отрыве от зарядов и токов проводимости как единое электромагнитное поле. В природе электрические и магнитные явления выступают как две стороны единого процесса. Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчета. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчета, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчета и порождать в этой системе отсчета, кроме электрического, еще и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.

Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис. 1.2. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.

Максвелл показал, что скорость электромагнитных волн в вакууме

,

где e₀ и m₀ – электрическая и магнитная постоянные, e₀ = 8,85 · 10^–12 Ф/м, m₀ = 4p · 10⁷ Гн/м. Эта скорость совпадает со скоростью света в вакууме. На этом основании Максвелл выдвинул смелое предположение, что световая волна – это лишь разновидность электромагнитных волн.

Основные свойства электромагнитных волн, распространяющихся в пустом пространстве, можно получить, исходя из фундаментальных законов электромагнитной теории Максвелла. Наибольшей простотой отличаются плоские монохроматические волны. Плоская монохроматическая волна – это идеализация. Несмотря на ограниченную применимость такой идеализированной модели, она во многих случаях полезна для описания реальных волн.

В плоских монохроматических волнах зависимость векторов и от координат и времени имеет один и тот же вид и описывается гармонической функцией:

.

Волновой вектор определяет направление распространения поверхности постоянной фазы (волновой поверхности). Его модуль , где – фазовая скорость волны.

Непосредственно из теории Максвелла следует:

1. Векторы и перпендикулярны направлению распространения волны (вектору ).

2. Векторы и ортогональны друг другу ( ^ ) и образуют с вектором правую тройку векторов. Таким образом, плоские электромагнитные волны являются поперечными.

3. В электромагнитной волне модули векторов и связаны между собой . Это соотношение выполняется в любой точке пространства в любой момент времени.

Пусть плоская электромагнитная волна распространяется в положительном направлении оси z, вектор направлен по оси у, тогда вектор направлен по оси x.

Уравнение этой волны запишется так:

.

Рис. 1.3

Рис. 1.4

На рис. 1.3 дан «моментальный снимок» такой волны. Из рисунка видно, что колебания электрического вектора происходят вдоль оси у, колебания магнитного вектора – вдоль оси x, а волна распространяется вдоль оси z со скоростью . В фиксированной точке пространства векторы изменяются со временем по гармоническому закону, причем эти изменения происходят в одной фазе, то есть они достигают максимума и обращаются в нуль в одних и тех же точках. При этом если вектор направлен в положительную сторону вдоль оси y, то вектор направлен в отрицательную сторону вдоль оси x.

Если направление распространения волны изменится на противоположное, то уравнение волны примет вид:

.

«Моментальный снимок» такой волны приведен на рис. 1.4. Расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах, есть длина волны l.

Полеты управляемых космических аппаратов на далекие расстояния к планетам Солнечной системы продемонстрировали, что скорость распространения электромагнитных волн велика, но не бесконечна; она составляет 300 000 км/с. Например, команды, передаваемые в виде радиоволн космическим аппаратам, находящимся на Луне, приходят туда с запаздыванием по времени примерно на 1 с.

Мы выяснили, что в электромагнитной волне колеблются две векторные величины: и . Как показывает опыт, физическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому в дальнейшем, говоря о световой волне, мы чаще будем говорить только о векторе напряженности электрического поля.

Опыт Герца

Рис. 1.5

Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла. Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, состоящий из двух стержней, разделенных искровым промежутком (вибратор Герца). При определенной разности потенциалов в промежутке между ними возникала искра – высокочастотный разряд, возбуждались колебания тока и излучалась электромагнитная волна. Для приема волн Герц применил резонатор – прямоугольный контур с промежутком, на концах которого укреплены небольшие медные шарики (рис. 1.5).

Генрих Герц родился 22 февраля 1857 г. в Гамбурге в семье адвоката. Уже в юности у него появились склонности к разным ремеслам – он выучился столярному делу, умел работать на токарных станках. В восемнадцать лет, получив аттестат зрелости, он поехал в Мюнхенский политехнический институт. После двух лет занятий Герц обнаружил, что гораздо больше его привлекает научная работа в области физики. Он перешел в Берлинский университет, где продолжил изучение математики и физики. Прилежного студента заметил известный профессор Герман фон Гельмгольц и пригласил его в свою лабораторию в качестве практиканта. Позже он доверил ему самостоятельную задачу, за решение которой в 1879 г. Герц получил золотую медаль университета. В 1883 г. он стал приват-доцентом в Нильском университете, а спустя два года был назначен штатным профессором физики в политехническом институте г. Карлсруэ. Здесь он проводил свои исследования электромагнитных волн, которые принесли ему всемирную известность. Опыты Герца имели большое значение для признания теории Максвелла и ее утверждения. Генрих Герц умер 1 января 1894 г. в Бонне. Ему не исполнилось еще и 37 лет.

Александр Степанович Попов (1859–1906) родился 16 марта 1859 г. на Урале (поселок Турьинские Рудники) в семье небогатого священника. С малых лет у Александра пробудился интерес к технике. В семинарии он умудряется все свободное время отдавать изучению естественных наук, за что получает от своих товарищей прозвище «математик». Закончив обучение в духовной семинарии, Попов отказывается от карьеры священника и, сдав вступительные экзамены, становится в 1977 г. студентом физико-математического факультета Петербургского университета.

7 мая 1895 г. произошло событие, сыгравшее исключительную роль в развитии всей человеческой цивилизации. В этот день А.С. Попов на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге продемонстрировал первый в мире радиоприемник, который принимал знаки азбуки Морзе без помощи проводов. В начале 1897 г. Попов уже осуществил радиопередачи между Кронштадтским берегом и кораблем на расстояние 640 метров. В 1899 г. он со своим ближайшим помощником Петром Николаевичем Рыбкиным осуществил радиоприем дальностью 50 километров.

В 1908 г., уже после его смерти (он умер 13 января 1906 г.), было установлено, что «А.С. Попов по справедливости должен быть признан изобретателем телеграфа без проводов при помощи электрических волн».

В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну.

Вибратор Герца имел длину от 2,5 м до 1 м, что соответствовало волнам длиной от 5 до 2 м, то есть полученные Герцем волны в миллион раз превосходили по длине световые волны.

В 1895 г. П.Н. Лебедев, пользуясь миниатюрными вибраторами, получил электромагнитные волны длиной около 2–6 мм. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц».