Електромагнітне поле у вакуумі. Випромінювання електромагнітних хвиль.

Електромагнітне поле є формою матерії, через яку здійснюється взаємодія між електрично зарядженими частинками. Поняття поля (електричного та магнітного) ввів М. Фарадей у 1830 р. Згідно з цими уявленнями, заряджені частинки або струми створюють в усіх точках оточуючого їх простору особливий стан — поле, яке діє на всяку іншу заряджену частинку або струм, вміщені в довільну точку цього простору. Отже, поле заряджених електричних частинок або струмів зосереджене в усіх точках простору, що їх оточує. У кожній такій точці електро­магнітне поле характеризується енергією, імпульсом тощо.

Електромагнітне поле може існувати і вільно, незалежно від дже­рел, які його створили, у вигляді електромагнітних хвиль. У 1865 р. Дж. Максвелл теоретично показав, що електромагнітні коливання за своєю внутрішньою природою мають властивість поширюватись у пр осторі зі швидкістю світла.

А в середині 60-х років ХІХ ст. Максвелл, працюючи над експерементальними результатами (дослідження явища електромагнітної індукції) Фарадея, дійшов висновку, що в природі існує зворотній процес - змінне електричне поле викликає появу змінного магнітного поля (вихрового). Отже, магнітне поле може створюватися не тільки електричним струмом - рухомими зарядами, але й змінним електричним полем, так як це зображено на мал.1.1.

Сукупність нерозривно взаємопов'язаних змінних вихрових електричного і магнітного полівназивають електромагнітним полем. У природі взагалі немає відокремлених одне від одногоелектричних і магнітних полів, а існують електромагнітні поля як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія. Як нам вже відомо, електромагнітне поле у вакуумі характеризується векторами на­пруженості електричного поля й індукції магнітного поля . Цими векторами визначаються сили, які діють з боку електромагнітного поля на рухомі й нерухомі електрично заряджені частинки. У середо­вищі електромагнітне поле характеризують двома додатковими пара­метрами: вектором індукції (зміщення) електричного поля і векто­ром напруженості магнітного поля .

Електромагнітні хвилі та їх використання.

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею. Електромагнітні хвилі є поперечними, оскільки в кожній точці простору електрична напруженість , магнітна індукція і швидкість поширення цих хвиль взаємно перпендикулярні (мал.2.1.). Із теорії Максвелла випливає, що швидкість поширення електромагнітної хвилі у речовині визначається за формулою

, (2.1.)

де - швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі; - магнітна стала, - електрична стала,

- діелектрична проникність середовища; - магнітна проникність середовища.

Із формули (2.1.) видно, що швидкість поширення електромагнітної хвилі в середовищі залежить від електричних і магнітних властивостей цього середовища.

Відстань, на яку поширюється електромагнітна хвиля за один період, тобто найкоротша відстань між такими двома точками хвилі, в яких і коливаються в однакових фазах, називають довжиною електромагнітної хвилі і позначають мал.2.1. За аналогією з механічними хвилями:

,

де T - період, - частота електромагнітних коливань. Із теорії Максвелла випливає, що довільний заряд, що рухається із прискоренням або коливається, випромінює електромагнітні хвилі. Наявність прискорення - головна умова випромінювання електромагнітної хвилі.

У вакуумі електромагнітні хвилі досягають найбільшої швидкості - швидкості світла (c = 3·108 м/с). Властивості електромагнітних хвиль найлегше вивчати, використовуючи передавач і приймач, які працюють на сантиметровому діапазоні. Випромінювання і приймання таких хвиль можна зробити спрямованими та прогнозованими. Досліди Герца показали, що електромагнітні хвилі мають такі властивості: в однорідному середовищі поширюються рівномірно і прямолінійно; відбиваються діелектриками, а ще краще провідниками, при цьому виконуються закони відбивання хвиль; заломлюються; фокусуються; дають явища дифракції та інтерференції; поляризуються.

Властивості електромагнітних хвиль виявились такими ж, як і властивості хвиль будь-якої іншої природи.

Електромагнітні хвилі мають майже необмежений діапазон частот і довжин хвиль. Весь діапазон поділяють на декілька вузьких ділянок, для яких установлено конкретні межі.

Радіохвилі поділяють на довгі (понад 10 км), середні (сотні метрів), короткі (десятки метрів). Усіх їх переважно використовують у радіозв'язку. Ультракороткі радіохвилі поділяють на метрові, дециметрові та міліметрові. Перші використовують у телебаченні, другі і треті - у радіолокації. Діапазон радіохвиль частково перекривається з інфрачервоними променями, які широко застосовують у техніці. У цьому діапазоні працюють лазери, фокусування променів яких дозволяє краще обробляти матеріали.

Ультрафіолетові промені використовують для знезаражування приміщень у лікарнях, стимуляції хімічних реакцій та ін. Для людини ультрафіолетові промені шкідливі, поверхня Землі захищена від шкідливих складових ультрафіолетових променів Сонця озоновим шаром (О3), його збереження - це одна з важливих екологічних проблем.

Рентгенівське проміння отримують під час гальмування електронів, які прискорюються напругою в десятки кіловольтів. На відміну від світлового проміння видимого спектра й ультрафіолетового проміння, воно має значно меншу довжину хвиль. Причому довжина хвилі рентгенівського проміння є тим меншою, чим більша енергія електронів, які бомбардують перешкоду, цим самим набуваючи прискорення.

У встановленні природи цього випромінювання визначальними були дослідження українського вченого Івана Пулюя (1845 - 1918 рр.) на електронних вакуумних трубках власної конструкції, проведені задовго до відкриття В. Рентгена. Однак, В. Рентген першим запатентував відкриття, тому їх називають рентгенівськими.

Рентгенівські промені майже відразу знайшли застосування в медицині. Ці промені за довжиною перекриваються із γ-промінням, яке утворюється під час розпаду нестійких ядер. Вони майже без послаблення проходять через товстий шар металу, тому їх використовують для перевірки якості великих злитків, зон зварювання товстого металу та ін. γ -проміння використовують у медицині, геології та інших галузях.

Для утворення інтенсивних електромагнітних хвиль необхідно створити електромагнітні коливання досить високої частоти. Коливання високої частоти, яка значно перевищує частоту промислового струму (50 Гц), можна отримати за допомогою коливального контуру, частота власних коливань якого буде тим більшою, чим менша індуктивність котушки і ємність конденсатора:

. (2.2.)

Для отримання електромагнітних хвиль Г. Герц використав простий пристрій, який нині називають вібратором Герца або відкритим коливальним контуром.

До відкритого коливального контуру можна перейти від закритого, якщо поступово збільшувати відстань між пластинами конденсатора, одночасно зменшуючи їх площу і кількість витків у котушці, як це зображено на мал.2.2. Оскільки значення ємності та індуктивності вібратора Герца малі, то частота коливань такої системи за формулою досить велика.

Такий пристрій, що здатний випромінювати електромагнітні хвилі, Герц назвав антеною, що в перекладі означає вуса.

В основі принципу радіозв'язку лежать такі явища, змінний електричний струм високої частоти, який створюють в антені передавача, викликає в просторі навколо антени електромагнітні хвилі високої частоти, які вільно поширюються в просторі. Коли хвилі досягають антени приймача, вони індукують в ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач.

Важливим етапом у розвитку радіозв'язку було створення 1913 року генератора електромагнітних коливань, за допомогою якого можна здійснювати надійний і високочастотний радіотелефонний зв'язок - передачу розмови чи музики за допомогою електромагнітних хвиль.

Радіозв'язок здійснюється на довгих (10 000 - 1 000 м), середніх (1 000 - 100 м), коротких (100 - 10 м) та ультракоротких (менше 10 м) хвилях. Радіохвилі з різними довжинами хвиль по-різному поширюються біля поверхні Землі.

Довгі хвилі завдяки дифракції поширюються далеко за межі видимого горизонту. Тому радіопередачі на довгих хвилях можна приймати на великих відстанях за межами прямої видимості антени.

Середні хвилі зазнають меншої дифракції біля поверхні Землі і поширюються внаслідок дифракції на менші відстані за межі прямої видимості.

Короткі хвилі ще менш здатні до дифракції біля поверхні Землі, але їх можна прийняти в будь-якій точці на поверхні Землі. Поширення коротких радіохвиль на великі відстані від передавальної радіостанції пояснюється їх здатністю відбиватися від іоносфери.

Ультракороткі хвилі не відбиваються іоносферою і не огинають поверхню Землі внаслідок дифракції. Тому зв'язок на ультракоротких хвилях здійснюється тільки в межах прямої видимості антени передавача.

Ультракороткі хвилі (l < 10 м) використовують в радіолокації. Радіолокація - це виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль.

В основу радіолокації покладено властивість електромагнітних хвиль відбиватися від металевих предметів або будь-яких тіл, що проводять електричний струм.

Відстань, l до предмета що відбив радіохвилю, дорівнює:

,

де c - швидкість поширення радіосигналу (3·108 м/с); t - час проходження електромагнітних хвиль в прямому і зворотному напрямах.

За допомогою радіохвиль передаються на відстань не тільки звукові сигнали, але і зображення предмета. Телевізійні передачі ведуться в діапазоні 50 - 230 МГц. У цьому діапазоні електромагнітні хвилі поширюються майже в межах прямої видимості. Тому будують високі антени, використовують ретранслятори у вигляді антен та штучних супутників Землі.

Електромагнітні хвилі описуються загальними для електромагнітних явищ рівняннями Максвелла. Навіть у випадку відсутності у просторі електричних зарядів і струмів рівняння Максвелла мають відмінні від нуля розв'язки. Ці розв'язки описують електромагнітні хвилі.

У випадку відсутності зарядів і струмів рівняння Максвелла набирають наступного виду:

, , , .

Застосовуючи операцію rot до перших двох рівнянь можна отримати окремі рівняння для визначення напруженості електричного і магнітного полів

Ці рівняння мають типову форму хвильових рівнянь. Їхніми розв'язками є суперпозиція виразів наступного типу

, ,

де - певний вектор, який називається хвильовим вектором, ω - число, яке називається циклічною частотою, φ - фаза. Величини та є амплітудами електричної та магнітної компоненти електромагнітної хвилі. Вони взаємно перпендикулярні й рівні за абсолютною величиною. Фізична інтерпретація кожної із введених величин дається нижче.

У вакуумі електромагнітна хвиля розповсюджується із швидкістю, яка називається швидкістю світла. Швидкість світла є фундаментальною фізичною константою, яка позначається латинською літерою c. Згідно із основним постулатом теорії відносності швидкість світла є максимально можливою швидкістю передачі інформації чи руху тіла. Ця швидкість становить 299 792 458 м/с.

Електромагнітна хвиля характеризується частотою. Розрізняють лінійну частоту ν й циклічну частоту ω = 2πν. В залежності від частоти електромагнітні хвилі належать до одного із спектральних діапазонів.

Іншою характеристикою електромагнітної хвилі є хвильовий вектор . Хвильовий вектор визначає напрямок розповсюдження електромагнітної хвилі, а також її довжину. Абсолютне значення хвильового вектора називають хвильовим числом.

Довжина електромагнітної хвилі , де k - хвильове число.

Довжина електромагнітної хвилі зв'язана з частотою через закон дисперсії. У порожнечі цей зв'язок простий:

.

Часто дане співвідношення записують у вигляді

.

Електромагнітні хвилі із однаковою частотою й хвильовим вектором можуть розрізнятися фазою.

У порожнечі вектори напруженості електричного й магнітного полів електомагнітної хвилі обов'язково перпендикулярні до напрямку розповсюдження хвилі. Такі хвилі називаються поперечними хвилями. Математично це описується рівняннями та . Крім того, напруженості елекричного й магнітного полів перпендикулярні одна до одної й завжди в будь-якій точці простору рівні за абсолютною величиною: E = H [1]. Якщо вибрати систему координат таким чином, щоб вісь z збігалася з напрямком поширення електромагнітної хвилі, існуватимуть дві різні можливості для напрямків векторів напруженості електричного поля. Якщо електичне поле направлене вздовж осі x, то магнітне поле буде направлене вздовж осі y, і навпаки. Ці дві різні можливості не виключають одна одну й відповідають двом різним поляризаціям. Детальніше це питання розбирається в статті Поляризація електромагнітної хвилі.