Електромагнітні хвилі

Існування електромагнітних хвиль було теоретично передбачене великим англійським фізиком Дж. Максвеллом в 1864 році. Максвелл проаналізував всі відомі на той час закони електродинаміки і зробив спробу застосувати їх до постійно змінюваних в часі електричного і магнітного полів. Він звернув увагу на асиметрію взаємозв'язку між електричними і магнітними явищами. Максвелл ввів у фізику поняття вихрового електричного поля і запропонував нове трактування закону електромагнітної індукції. відкритої Фарадеем в 1831 р .:

Будь-яке зміна магнітного поля породжує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, силові лінії якого замкнуті.

Максвелл висловив гіпотезу про існування і зворотного процесу:

Змінюється в часі електричне поле породжує в навколишньому просторі магнітне поле.

Мал. 2.6.1 і 2.6.2 ілюструють взаємне перетворення електричного і магнітного полів.

Закон електромагнітної індукції в трактуванні Максвелла

Гіпотеза Максвелла. Змінюється електричне поле породжує магнітне поле

Ця гіпотеза була лише теоретичним припущенням, які не мають експериментального підтвердження, проте на її основі Максвеллові вдалося записати несуперечливу систему рівнянь, що описують взаємні перетворення електричного і магнітного полів, т. Е. Систему рівнянь електромагнітного поля (рівнянь Максвелла). З теорії Максвелла випливає ряд важливих висновків:

1. Існують електромагнітні хвилі, тобто розповсюджується в просторі і в часі електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі поперечні - вектори і перпендикулярні один одному і лежать в площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі (рис. 2.6.3).

Синусоїдальна (гармонійна) електромагнітна хвиля. Вектори, і взаємно перпендикулярні

2. Електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю

Тут ε і μ - діелектрична і магнітна проникності речовини, ε0 і μ0 - електрична і магнітна постійні: ε0 = 8,85419 · 10 -12 Ф / м. μ0 = 1,25664 · 10 -6 Гн / м.

Довжина хвилі λ в синусоїдальної хвилі свявзана зі швидкістю υ поширення хвилі співвідношенням λ = υ T = υ / f. де f - частота коливань електромагнітного поля, T = 1 / f.

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі (ε = μ = 1):

Швидкість c поширення електромагнітних хвиль в вакуумі є однією з фундаментальних фізичних констант.

Висновок Максвелла про кінцевої швидкості поширення електромагнітних хвиль знаходився в протиріччі до прийнятої в той час теорією дальнодействия. в якій швидкість поширення електричного і магнітного полів приймалася нескінченно великою. Тому теорію Максвелла називають теорією близкодействия.

3. У електромагнітної хвилі відбуваються взаємні перетворення електричного і магнітного полів. Ці процеси йдуть одночасно, і електричне та магнітне поля виступають як рівноправні «партнери». Тому об'ємні щільності електричної і магнітної енергії дорівнюють один одному: w е = w м.

Звідси випливає, що в електромагнітної хвилі модулі індукції магнітного поля і напруженості електричного поля в кожній точці простору пов'язані співвідношенням