73. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Гипотеза Максвелла.

Различные виды механических волн, как поперечных, так и продольных, объединяет одно общее свойство: они могут распространяться только в непрерывной среде, только в твердых телах, жидкостях или газах. В вакууме, т. е. в пустоте, механические волны распространяться не могут.

Английский физик Джеймс Максвелл (1831—1879) на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству и магнетизму в 1864 г. высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волиы Максвелл назвал электромагнитными волнами.

Для выдвижения гипотезы о возможности возникновения электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. В 1831 г. Фарадей установил, что любое изменение магнитного потока в контуре вызывает появление в нем индукционного тока. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предположил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое магнитное поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 238).

Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна. Связь направлений векторов напряженности

электрического поля и индукции магнитного поля при возрастании напряженности и индукции представлена на рисунке 239, а и б. При убывании напряженности и индукции соответствующие векторы имеют противоположное направление.

Электрическое и магнитное поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитной волны в вакууме.

Условие возникновения электромагнитных волн.

Изменения магнитного поля происходят при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике изменяется при изменении скорости движения электрических зарядов в нем, т. е. при движении зарядов с ускорением. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электрических зарядов.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть равной примерно 300 000 км/с.

Открытие электромагнитных волн.

Электромагнитные волны были впервые экспериментально обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем (1857—1894) в 1887 г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд. В результате шары перезаряжались, между ними вновь проскакивала искра и т. д. — процесс повторялся многократно, т. е. возникали электрические колебания.

Стержни с шарами на концах обладают определенной индуктивностью и электроемкостью и представляют собой электрический колебательный контур. Поместив на некотором расстоянии от этого контура контур из проволоки с двумя шарами на концах, Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами колебательного контура возникает искра и между шарами на концах витка провода (рис. 240). Следовательно, при электрических колебаниях в открытом контуре в пространстве вокруг него образуется вихревое электрическое поле. Это поле создает электрический ток во вторичном контуре.

При постепенном удалении вторичного контура от первичного искры между шарами возникали только при расположении контура в определенных местах

пространства, разделенных одинаковыми расстояниями. Этот факт Герц объяснил явлением интерференции излученных электромагнитных волн с электромагнитными волнами, отраженными от стены комнаты.

Искры во вторичном контуре наблюдались в тех местах комнаты, в которые первичная и отраженная электромагнитные волны приходили в одинаковой фазе и амплитуда колебаний напряженности вихревого электрического поля была максимальной. Расстояние между двумя соседними интерференционными максимумами равно половине длины волны.

По известной частоте электромагнитных колебаний в контуре и измеренному значению длины К электромагнитной волны Герц определил скорость распространения электромагнитной волны:

Она оказалась равной примерно 300 000 км/с, как и предсказывал Максвелл. Таким образом опыты Герца явились экспериментальным подтверждением гипотезы Максвелла о существовании электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн во многом сходны со свойствами механических волн. На границе раздела двух сред электромагнитные волны частично отражаются, частично проходят во вторую среду. От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, от поверхности металла отражаются почти без потерь (рис. 241).

Закон отражения совпадает с законом отражения механических волн, т. е. угол отражения равен углу падения; падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плос-. кости. На границе раздела двух сред происходит преломление электромагнитных волн. Закон преломления: отношение синуса угла падения а к синусу угла преломления является величиной постоянной для двух данных сред. Это отношение равно отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости во второй среде:

У края преграды или при прохождении электромагнитных волн через отверстие наблюдается явление дифракции волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного (рис. 242).

Когда электромагнитные волны от двух когерентных

источников встречаются в одной точке, то наблюдается явление интерференции.

Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что при параллельной ориентации металлических стержней в Двух решетках электромагнитные волны проходят через них (рис. 243), а при взаимно перпендикулярной ориентации стержней волны не проходят. Это доказывает, что электромагнитные волны являются поперечными волнами.

При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 244).