Излучение электромагнитных волн электрическим зарядом, совершающим гармонические колебания.

Если электрический заряд совершает колебания вдоль оси по гармоническому закону

то модуль ускорения движения заряда также изменяется со временем по гармоническому закону:

Подставляя выражение (12.10) в формулу (12.8), получим:

Следовательно, при гармоническом колебании электрического заряда вдоль прямой с амплитудой и частотой в произвольной точке А на расстоянии от заряда возникает переменная составляющая напряженности электрического поля, направленная перпендикулярно прямой О А, модуль которой изменяется со временем по гармоническому закону. Амплитуда колебаний нормальной составляющей прямо пропорциональна квадрату частоты колебаний

Так как плотность энергии электрического поля прямо пропорциональна квадрату напряженности Е электрического поля, то энергия электромагнитного поля, излучаемая электрическим зарядом при гармонических колебаниях, оказывается пропорциональной четвертой степени частоты :

При всяком изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. Поэтому возникновение электрического поля с нормальной составляющей напряженности при ускоренном движении заряда обязательно сопровождается возникновением магнитного поля. Вектор магнитной индукции В этого поля направлен перпендикулярно вектору прямой

Таким образом, при гармоническом колебании электрического заряда в пространстве вокруг него возникают изменяющиеся по гармоническому закону взаимосвязанные электрическое и магнитное поля, или единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле распространяется в вакууме со скоростью света с. Векторы напряженности и магнитной индукции В электромагнитного поля перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитные волны являются поперечными волнами.

Особо важны следующие два свойства электромагнитных волн: 1) энергия излучаемого электромагнитного поля пропорциональна четвертой степени частоты; 2) напряженность Е электрического поля электромагнитной волны обратно пропорциональна первой степени расстояния от точечного источника волн.

Пропорциональность излучаемой энергии электромагнитной волны четвертой степени частоты обусловливает необходимость использования для радиосвязи частот обычно не ниже 150 кГц. Чтобы понять, почему невозможна связь на электромагнитных волнах звуковой частоты, оценим, во сколько раз потребовалось бы увеличить мощность радиопередатчика при переходе с частоты МГц на частоту для обеспечения одинаковой мощности излучения. Так как мощность Р излучения ускоренно движущегося заряда прямо пропорциональна четвертой степени частоты то

Следовательно, при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне мощность излучения электромагнитных волн на частоте 1 кГц в раз меньше мощности излучения на частоте 1 МГц. Для достижения равной мощности излучения потребовалось бы увеличить мощность генератора в 10 раз, т. е. в тысячу миллиардов раз!

То, что напряженность Е электрического поля в электромагнитной волне убывает обратно пропорционально лишь первой степени расстояния от источника, обеспечивает возможность радиосвязи на больших расстояниях.

Если бы напряженность поля электромагнитной волны убывала обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника, как в случае электростатического поля, то максимальная дальность приема радиопередач оказалась бы существенно меньшей. Например, вместо максимальной дальности приема 100 км прием был бы возможен лишь на расстоянии 10 км. А вместо предельных расстояний 50—100 млн. км максимальная дальность космической связи составляла бы не более 10 тыс. км, и было бы невозможно не только управлять межпланетными автоматическими станциями вблизи Марса и Венеры, но даже получать информацию с поверхности Луны и управлять луноходом с помощью радиосигналов с поверхности Земли.