Поперечность электромагнитных волн — справочник студента

•  «Без естественных наук нет спасения
• современному человеку, без этой здоровой пищи,
• без этого строгого воспитания мысли фактами,
• без этой близости к окружающей нас жизни»

А.И. Герцен

Данная тема посвящена изучению электромагнитных волн и их свойств.

Для успешного усвоения данного материала, необходимо вспомнить некоторые определения и понятия, пройденные в курсе физики 9 класса.

Механическая волна — это распространение колебаний частиц вещества в пространстве. В физике различают продольные и поперечные волны.

Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны; а поперечной называется волна, когда частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Какие величины характеризуют волну? Это длина волны, скорость ее распространения, период и частота колебаний.

Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. При этом длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется фронт волны за время, равное периоду колебаний источника волн.

Механические волны не могут распространяться в вакууме, т.е. для их существования необходимо наличие упругой среды: газа, жидкости или твердого тела.

В отличии от них, существуют волны и не нуждаются в наличии какого-либо вещества. То есть, они могут существовать и в вакууме. Такие волны называются электромагнитными волнами.

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.

В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (т.е. электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Получается замкнутый круг: поля могут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме, и этот процесс может повторяться до бесконечности.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Из теории электромагнитного поля Максвелла вытекает, что по своей природе электромагнитное поле не может быть локализовано в месте зарождения, а распространяется в пространстве. При этом данный процесс распространяется в пространстве по всем направлениям.

Так вот, распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, иными словами, какие физические величины периодически меняются в ней?

Известно, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции,а количественной характеристикой электрического поля служит его напряженность. Поэтому, когда говорится о том, что магнитное и электрическое поля меняются, то понимается, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряженности электрического поля.

Теперь давайте посмотрим, какими свойствами обладает электромагнитная волна.

Первое самое важное свойство, электромагнитных волн непосредственно вытекает из открытых Максвеллом законов электромагнетизма — это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн. Т.е.

если в какой-либо малой области пространства будет периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения будут повторяться и в других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей.

Максвелл чисто математически показал, что скорость такого распространения в вакууме зависит только от диэлектрической и магнитной постоянных, т.е. равна скорости света.

А в среде эта скорость меньше и зависит как от диэлектрической, так и от магнитной проницаемостей среды.

Вот что по этому поводу писал сам Максвелл в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Под периодическими изменениями электрического и магнитного полей понимают колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Так вот, оказывается, что колебания этих векторов происходят перпендикулярно вектору скорости распространения электромагнитной волны.

Отсюда, мы можем сделать вывод о том, что электромагнитная волна — это поперечная волна. Это и есть второе свойство электромагнитной волны.

Третье свойство непосредственно вытекает из второго. Так как электромагнитная волна является поперечной, то колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Помимо выше сказанного, вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля образуют с вектором скорости распространения, так называемую, правовинтовую систему. Т.е.

если расположить головку правого винта в плоскости векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля и будем ее поворачивать по кратчайшему пути в направлении от вектора  к вектору , то поступательное движение острия винта укажет нам направление вектора скорости в данный момент времени. Это есть четвертое свойство электромагнитной волны.

Пятое свойство говорит о том, что период электромагнитной волны равен периоду колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн. Т.е. справедливы соотношения:

Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны — это шестое свойство.

Энергию электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

где V —объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

При этом переносимая электромагнитной волной энергия пропорциональна четвертой степени частоты. В связи с этим, источником интенсивных электромагнитных волн, т.е. волн, способных переносить энергию на большие расстояния, должны быть электромагнитные колебания с частотой порядка 106 Гц.

Однако никакие современные генераторы не могут создать переменный ток такой частоты, так как в этом случае якорь генератора должен совершать миллион оборотов в секунду.

Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур, циклическая частота колебаний которого, согласно формуле, будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Седьмое свойство говорит о том, что электромагнитные волны в однородной среде распространяются прямолинейно, при переходе из одной среды в другую испытывают преломление и отражаются от преград.

В свое время все эти работы Максвелла вызвали шок среди ученых. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».

К сожалению, Максвелл не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который только через 20 лет в серии своих экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.

Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения способом резонанса. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур, который можно получить из закрытого путем раздвижения пластин конденсатора и уменьшением их площади до тех пор, пока не получится просто прямой провод.

В таком открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределяются по всему проводнику, при этом ток в данный момент времени во всех сечениях проводника будет направлен в одну и ту же сторону. Однако сила тока в различных сечениях проводника неодинакова — на концах она равна нулю, а в центре — максимальная.

За время горения искры, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (его еще называют резонатор) также состоял из проволоки с искровым промежутком.

Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.

В результате проделанных Герцем опытов были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Однако сам Герц считал, что полученные им электромагнитные волны невозможно использовать в больших масштабах и тем более передавать с их помощью какую-либо информацию.

Таким образом, Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны.

Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, все должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С.

Поповым с помощью беспроводной связи, были «Генрих Герц», зашифрованные азбукой Морзе.

Любопытно, но за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Хьюз также продемонстрировал перед крупными учеными эффект распространения электромагнитных волн в воздухе.

Хьюз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца уже стала общепринятой.

На данный момент известно, что буквально всё пространство вокруг нас пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов.

1. Границы этих диапазонов весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.
2. Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.
3. В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:
4. – плавка и закалка металлов, изготовление постоянных магнитов;
5. – телевидение и радиосвязь;
6. – мобильная связь и радиолокация;
7. – сварка, резка и плавка металлов лазерами, приборы ночного видения;
8. – освещение и голография;
9. – люминесценция в газоразрядных лампах и закаливание живых организмов;
10. – рентгенотерапия;
11. – дефектоскопия и исследование внутренней структуры атомов;
12. – и многое-многое другое.
13. Основные выводы:
14. – Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.
15. – Электромагнитные взаимодействия в природе не происходят мгновенно – они распространяются с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.
16. – Для излучения электромагнитных волн необходимо иметь открытый колебательный контур, в котором будут генерироваться электромагнитные колебания высокой частоты.

Источник: https://videouroki.net/video/19-eliektromaghnitnaia-volna-svoistva-eliektromaghnitnykh-voln.html

Свойства электромагнитных волн — Класс!ная физика

«Физика — 11 класс»

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой.

Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.

Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси.

Поглощение электромагнитных волн

Располагают рупоры друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом замечают уменьшение громкости.

Отражение электромагнитных волн

Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу.

Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его-

Преломление электромагнитных волн

Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина.

Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения.

Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Поперечность электромагнитных волн

Электромагнитные волны являются поперечными. Это означает, что векторы и электромагнитного поля волны перпендикулярны направлению ее распространения. При этом векторы и взаимно перепендикулярны. Волны с определенным направлением колебаний этих векторов называются поляризованными.

.

Приемный рупор с детектором принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90°.

Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку располагают так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны, подобно сплошной металлической пластине.

Итак, электромагнитные волны обладают следующими свойствами. Они поглощаются, отражаются, испытывают преломление, поляризуются.

• Последнее свойство свидетельствует о поперечности этих волн.
• Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Распространение радиоволн» Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Электромагнитные волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Что такое электромагнитная волна — Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн — Плотность потока электромагнитного излучения — Изобретение радио А. С. Поповым.

Принципы радиосвязи — Модуляция и детектирование — Свойства электромагнитных волн — Распространение радиоволн — Радиолокация — Понятие о телевидении.

Развитие средств связи — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_46.html

Поперечность электромагнитных волн — Оптика

Явления интерференции и дифракции, отчетливо выявляя волновые свойства света, не отвечают на вопрос, являются ли волны продольными или поперечными. Действительно, указанные явления наблюдаются для обоих типов волн любой природы.

В частности, при одинаковой длине волны (например, волне длиной 3 см отвечает акустическая частота 10 кГц и оптическая, электромагнитная частота 1010 Гц) явления дифракции можно одинаково хорошо наблюдать на одних и тех же объектах. Электромагнитная теория света Максвелла предсказывает поперечность световых волн.

Группа явлений, доказывающих справедливость предсказания Максвелла, называется явлениями поляризации света.

На радиочастотах легко обнаружить поперечность излучаемых волн и их линейную поляризацию: если волна распространяется свободно, то электрический вектор сохраняет в пространстве неизменное направление; разумеется, то же’ справедливо и для магнитного вектора, перпендикулярного электрическому.

Так, если излучение осуществляется прямолинейным проводом, а приемный провод параллелен передающему, то прием наиболее силен; при вращении приемного провода вокруг прямой, соединяющей его с передающим проводом, прием ослабевает и полностью исчезает, когда провода располагаются взаимно перпендикулярно. Из рисунка 7.1 видно, что проекция вектора напряженности (совпадающего с направлением передающего провода) на направление приемного провода РР составляет

Так как эта проекция определит ток в приемном устройстве, а интенсивность приема пропорциональна квадрату тока, то отсюда получается:

Это соотношение в оптике носит название закона Малюса.

Плоскость, содержащую вектор и направление распространяющегося от передатчика луча, принято называть плоскостью колебаний. Плоскость же, содержащую вектор магнитной индукции волны и луч, называют плоскостью поляризации. Очевидно, эти плоскости взаимно перпендикулярны.

Рис. 7.1

Рис 7.2

Такой же закон изменения интенсивности проходящей волны получается, если между параллельными излучателем и приемником поместить решетку из параллельных металлических проволок (в плоскости, нормальной вектору скорости волны) и вращать ее в собственной плоскости. Не пропущенная решеткой энергия волны отражается от решетки; небольшим поглощением в металле можно пренебречь.

Разумеется, при продольных колебаниях никакой поляризации быть не может, так как все плоскости, проходящие через луч, равноправны.

Для лучшего понимания опытов, обнаруживающих поперечность световых волн, рассмотрим предварительно несколько опытов с сантиметровыми электромагнитными волнами.

Генератор снабжен рупором, создающим линейную (плоскую) поляризацию излучаемых волн. Вектор электрического поля лежит параллельно узкой стороне рупора, что можно проверить на опыте, принимая волну прямолинейным проводником. Расположим передающий рупор 1 так, чтобы колебания вектора происходили в плоскости рисунка (рис. 7.2). Приемный рупор 2 располагаем так, чтобы он мог принимать излучение, отражаемое некоторым препятствием, если вектор приходящей волны лежит в плоскостирисунка. Это препятствие представляет собой набор параллельных проволок, расположенных в плоскостях, параллельных чертежу, и способных поворачиваться в этих плоскостях. При положении А всякому углу падения можно подобрать равный угол отражения а, и приемник всегда отметит прием, хотя и различной (для разных углов падения) интенсивности.

Но если расположить проволоки решетки в направлении отраженного луча (положение В), то прием прекращается. Причина этого понятна: так как возбужденные проволоки можно уподобить диполям (см.

«Электричество и магнетизм», § 12.

4), а диполи не излучают в направлении своей оси, то, когда эта ось совпадает с направлением отражения, определяемым принципом Гюйгенса, отраженный луч образоваться не может.

Источник: https://itteach.ru/optika/poperechnost-elektromagnitnich-voln

Свойства электромагнитных волн: поперечность, синфазность колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей

Поперечность. электромагнитные волны являются поперечными.

Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического и индукции магнитного полей.

Возможность существования электромагнитных волн обусловлена тем, что существует связь между переменными электрическим и магнитным полями. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Существует и обратное явление: переменное во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Электромагнитные волны в зависимости от длины волны (или частоты колебаний ) разделены условно на следующие основные диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр, ультрафиолетовые волны и гамма — лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с веществом.

Несмотря на то, что свойства электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений Максвелла. Величины и в электромагнитной волне в простейшем случае меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении Z, являются:

(1)

где — циклическая частота,n-частота, — волновое число, начальная фаза колебаний.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е.

колебания векторов напряженности переменного электрического и индукции переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости распространения волны.

Векторы , и образуют правовинтовую систему: из конца вектора поворот от к на наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 1).

рис. 1

На рис. 2 показано распределение векторов и электромагнитной волны вдоль оси OZв данный момент времени t.

рис. 2

Из формулы (1) следует, что вектора и в электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е. они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.

• Основываясь на том, что электромагнитная волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с определенной ориентацией векторов и в пространстве.
• Энергия электромагнитных волн.
• Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

1. Работа по созданию магнитного потока имеет вид
2. — сила тока
3. — индукция
4. Энергия магнитного поля связана с контуром .
5. Вектор Пойнтинга.

Пойнтинга вектор, вектор плотности потока электромагнитной энергии. Назван по имени английского физика Дж. Г. Пойнтинга (J. Н. Poynting; 1852—1914). Модуль П. в.

равен энергии, переносимой за единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения электромагнитной энергии (т. е. к направлению П. в.).

В абсолютной системе единиц (Гаусса) П [EH], где [EH] — векторное произведение напряжённостей электрического Е и магнитного Н полей, с — скорость света в вакууме; в СИ П = [Eh]. Поток П. в.

через замкнутую поверхность, ограничивающую систему заряженных частиц, даёт величину энергии, теряемой системой за единицу времени вследствие излучения электромагнитных волн (см. Максвелла уравнения). Плотность импульса электромагнитного поля (выражается через П. в.: g = П.

Г. Я. Мякишев.

Источник: https://cyberpedia.su/6x94c9.html

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Поперечность электромагнитной волны является одним из самых важных ее свойств.

Однако при определенных условиях эксперимента может возникать сложная картина, при истолковании которой легко ошибиться.

Речь идет о распространении волны при наличии каких-либо ограничивающих экранов, отражающих зеркал и других аналогичных устройств.

Р’ силу поперечности электромагнитной волны световой вектор всегда перпендикулярен Рє направлению распространения волны.  [2]

Показать, что поперечность электромагнитных волн вытекает РёР· условия калибровки.  [3]

Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных волн: векторы Е и Н напряженностей электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны ( на рис.

227 показана моментальная фотография плоской электромагнитной волны) Рё лежат РІ плоскости, перпендикулярной вектору v скорости распространения волны, причем векторы Р•, Рќ Рё v образуют правовинтовую систему.  [4]

Как, РёСЃС…РѕРґСЏ РёР· поперечности электромагнитных волн, доказать, что колеблющийся электрический диполь РЅРµ может излучать вдоль своей РѕСЃРё.  [5]

Р’ этом заключается свойство поперечности электромагнитных волн.  [6]

Таким образом, утверждение о поперечности электромагнитных волн справедливо, вообще говоря, только в однородных средах.

Р’ классической физике это соответствует поперечности электромагнитных волн.  [8]

Р�злучения СЃ / 0 РЅРµ существует РёР·-Р·Р° поперечности электромагнитных волн.  [9]

Первое равенство РІ ( 10) выражает поперечность электромагнитной волны, Р° второе — тот факт, что модули векторов Р• Рё Р’ РІ электромагнитной волне равны РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіСѓ РІ каждой точке пространства РІ каждый момент временя. Р�Р· ( 8) Рё ( 9) следует, что указанные свойства электромагнитной волны наблюдаются РІ любой инерциальной системе — РІ полном соответствии СЃ принципом относительности.  [10]

ЕО — комплексный вектор, удовлетворяющий условию Eok 0 поперечности электромагнитных волн РІ вакууме. Модуль вектора Р•0 связан СЃ амплитудой волны. Для напряженности магнитного поля рассуждения аналогичны.  [11]

Уравнения ( 10) Рё ( 11) выражают поперечность электромагнитной волны.  [12]

Первый член разности РІ (10.17) равен нулю РІ силу поперечности электромагнитной волны.  [13]

Проекция вектора Рђ РЅР° РѕСЃСЊ Рі нас РЅРµ интересует, так как РІ волновой Р·РѕРЅРµ РІРІРёРґСѓ поперечности электромагнитных волн РѕРЅР° обращается РІ нуль.  [14]

Значение О исключается поперечностью электромагнитных волн, так как нулевое значение проекции момента импульса фотона на направление его движения соответствовало бы продольной поляризации световой волны.

 [15]

Страницы:      1    2

Источник: https://www.ngpedia.ru/id291453p1.html

История открытия электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия.

На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы.

Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже.

Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году).

Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии.

Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные.

К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле.

Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду…»

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

∇E = 4πρ	Закон Кулона
∇B = 0&	магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/c(δB/δt)	закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt)	Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B])	Сила Лоренца

Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал). А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах.

К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах.

А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости.

Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».

Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.

), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе.

В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой.

Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.

Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».

Далее: Великое объединение

Источник: https://elementy.ru/posters/spectrum/history

Продольные электромагнитные волны (стр. 1 из 3)

Элементарные полевые формы материи

«Всякое возмущение в пространстве распространяется со скоростью не выше скорости света.»

Основы физики. Л.А.Грибов, Н.И.Прокофьев. 1995. С.300.

Волны — это распространяющиеся возмущения, которые состоят из разноименных областей, например, уплотнений и разрежений или гребней и впадин.

«… состоит из чередующихся уплотнений и разрежений.»

Элементарный учебник физики. Г.С.Лансберг. 1995. Т.3. С.99.

«Волной называются распространяющиеся в пространстве возмущения состояния вещества или поля. Колебания вещества порождают упругую волну, а колебания электромагнитного поля — электромагнитную волну.»

Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.2. С.62.

Т.е. волны по определению — это колебания материальной среды в виде вещества или поля. Представление, что волны могут распространяться в пустоте, без материальной среды — это идеализм, так же как, например, представление, что заряды могут взаимодействовать без материального поля.

«Волны, изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. … Волны могут различаться по тому, как возмущения ориентированы относительно направления их распространения.»

Физический энциклопедический словарь. ВОЛНЫ.

Волны представляют распространяющиеся колебания, т.е. волны не могут распространяться без промежуточной материальной среды из вещества или поля, совершающей колебания. Волны состоят из волновых возмущений, обладающих энергией. Ориентация возмущений (областей возмущения) бывает продольная или поперечная.

• Продольно ориентированное возмущение (смещение):
• (-)(+)
• Поперечно ориентированное возмущение (смещение):
• (+)
• (-)
• Направление распространения:
• —>
• Знаками (+) и (-) обозначены разноименные области возмущения.

Электрические токи имеют продольную ориентацию электрических возмущений поля. Например, переменный электрический ток смещения между концами проводников (обкладками конденсатора) представляет распространение продольных электрических возмущений поля.

Также в волноводах могут распространяться волны как с поперечной, так и с продольной ориентацией электрических возмущений поля (TE, TM-волны).

TM-волны — продольные электромагнитные волны, имеющие осевую симметрию относительно направления распространения, у них нет поляризации, как у поперечных волн, ориентация электрического смещения — продольная, ориентация линий магнитной индукции такая же, как у проводника с переменным током. Т.е.

«Поток смещения, единица — кулон (СИ)»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.562.

«При этом типе волны (TM-волна) … электрическое поле имеет продольную составляющую.»

Антенны. С.И.Надененко. 1959. С.456.

«… электрическое поле в поперечно-магнитной волне непоперечно.»

Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1998. Т.2. С.646.

В TM-волнах (поперечно-магнитных волнах) всегда поперечны только линии магнитной индукции. Т.е. в TM-волне поток электрического смещения поля имеет продольную ориентацию, например, так же как у переменного тока проводимости, который представляет продольные электромагнитные колебания — продольные электромагнитные волны.

«Распространение электромагнитных колебаний происходит в виде электромагнитных волн.»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

Продольные электромагнитные волны могут быть в виде переменного тока проводимости или тока смещения, где длина волны зависит от частоты колебания. Любой электрический ток, согласно электродинамике, всегда замкнут. Поэтому продольные электромагнитные волны всегда замкнуты независимо от того, представляют они переменный электрический ток проводимости или смещения.

Продольные электрические возмущения поля имеют продольную ориентацию электрического смещения, поперечные возмущения имеют только поперечную ориентацию электрического смещения. Электромагнитные волны (возмущения) — это распространяющиеся электрические смещения (переменные потоки электрического смещения поля — токи смещения).

Скорость распространения продольных электромагнитных волн (переменного электрического тока) равна скорости распространения поперечных электромагнитных волн (света).

Для распространения поперечных электромагнитных волн нужна диэлектрическая среда, для продольных — проводящая, например, по проводам могут бежать продольные электромагнитные волны, которые являются замкнутыми, так как ток, согласно законам электродинамики, всегда замкнут.

В диэлектриках (вакууме) продольные электромагнитные волны могут распространяться только в волноводах или между концами проводников, так как в свободном состоянии они всегда являются замкнутыми, представляя замкнутые токи электрического смещения.

Таким образом, диэлектрик является средой, где свободно могут распространяться только поперечные электромагнитные волны, при этом не имеет значения состояние диэлектрика — твердое, жидкое или газообразное. Можно сказать, что проводник не пропускает (экранирует) поперечные электромагнитные волны, а диэлектрик не пропускает продольные.

«… нельзя было понять причину отсутствия у света продольных составляющих. Электромагнитная теория света эту трудность устранила.»

Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.2. С.108.

«С другой стороны, если световые волны — поперечны, то их носитель — эфир — должен обладать свойствами твердых тел. Попытка же наделить эфир свойствами твердого тела успеха не имела, так как эфир не оказывает заметного воздействия на движущиеся в нем тела.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.318.

Электродинамика устранила эти противоречия, доказав, что свет имеет электромагнитную природу.

Электромагнитные волны — это не звуковые волны и для их распространения нет разницы, какое состояние среды — твердое, жидкое или газообразное — достаточно, чтобы среда обладала свойствами диэлектрика.

Рассмотрение световых волн как электромагнитных возмущений, где вакуум представляет диэлектрик, позволило понять их физическую сущность и тем самым отпала необходимость в твердой среде, так как диэлектрики существуют в любом состоянии.

«Диэлектриками являются все газы (неионизированные), некоторые жидкости и твердые тела.»

Физический энциклопедический словарь. ДИЭЛЕКТРИКИ.

«… в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.»

Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.2. С.107.

Световые волны по своей сути представляют электромагнитные возмущения диэлектрической среды. Скорость распространения возмущений зависит только от диэлектрической и магнитной проницаемостей среды.

«… скорость распространения электромагнитных волн — величина конечная. Она определяется электрическими и магнитными свойствами среды, в которой распространяется электромагнитная волна … скорость распространения электромагнитной волны в вакууме: c = (em)-1/2 …»

Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.259.

«… e, m — проницаемости вакуума, …»

Физическая энциклопедия. ИМПЕДАНС.

Скорость света отражает свойство физического вакуума. Так как скорость света — это всего лишь показатель электромагнитной проницаемости среды и представляет скорость распространения электрических и магнитных потоков.

«Поэтому с — скорость электромагнитных волн в вакууме.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.344.

Точнее, скорость электромагнитных волн в физическом (электродинамическом) вакууме, так как в электромагнитной волне течет ток электрического смещения, который может течь только в диэлектрической среде (токи смещения материальны, обладают магнитной энергией и массой, так же как и любой электрический ток). Согласно электродинамике, вакуум обладает свойствами диэлектрика, что и позволяет использовать его для распространения поперечных электромагнитных волн.

Изменение потока электрического смещения поля в диэлектрике (вакууме), например, находящемся между обкладками конденсатора, представляет ток смещения Iсм = dФe/dt. Ток смещения, возникающий между концами проводников, при определенных условиях может начать распространяться самостоятельно в виде электромагнитных волн.

«… согласно Максвеллу, через конденсатор «протекают» токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники. … на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.249.

«В металлических проводниках имеются носители тока — электроны проводимости, которые могут под действием электрического поля перемещаться по всему проводнику.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.198.

Представим два металлических шара, на одном из которых находится электрический заряд, образующий возмущение электрического поля. Если шары соединить проводником, то возникнет ток и электрическое возмущение поля распространится на другой шар. Без распространения возмущений поля нет тока, т.е.

ток проводимости — это распространение со скоростью света электрических возмущений поля, сопровождаемое перемещением заряженных частиц по проводнику. Ток смещения (вакуумный) — это распространение возмущений поля без перемещения заряженных частиц, т.е. распространяющиеся электрические смещения поля.

Ток смещения, представляя изменение потока электрического смещения поля, распространяется со скоростью света, обладает магнитной энергией и является такой же физической реальностью, как и поле.

Например, если отключить напряжение с обкладок конденсатора в тот момент, когда между ними течет ток смещения, то, распространяясь со скоростью света как продольное возмущение поля, ток смещения, еще некоторое время продолжая течь, будет создавать на обкладках конденсатора электрическую напряженность поля.

Там, где есть токи смещения поля, всегда присутствуют движущиеся (изменяющиеся) потоки электрического смещения поля, так как токи смещения — это распространяющиеся со скоростью света изменения потоков смещения, т.е. распространяющиеся электрические возмущения поля. Таким образом, любой электрический ток — это движение (распространение) электрических потоков.

Надо заметить, что может возникать взаимная нейтрализация при наложении движущихся электрических потоков (возмущений), тогда в пространстве наблюдается только ток смещения без электрической напряженности поля (аналогия: ток в сверхпроводнике, где также нет электрической напряженности поля). В природе ток смещения распространен не меньше, чем ток проводимости, например, ток смещения течет в электромагнитных волнах.

Источник: https://mirznanii.com/a/172242/prodolnye-elektromagnitnye-volny