Вектор напряженности электрического поля

ЛЕКЦИЯ 4. Электромагнитные волны (ЭМВ).

Электрическое поле, созданное неподвижными электрическими зарядами, с течением времени остается неизменным. Такое поле получило название потенциального электрического поля (электростатическое поле). Неизменным с течением времени остается и магнитное поле, образованное постоянным электрическим током. Эти поля существуют независимо друг от друга. Картина существенным образом изменяется, если электрическое поле создается движущимися электрическими зарядами. Согласно теории Максвелла, изменяющееся со временем электрическое поле создает изменяющееся со временем магнитное поле

и наоборот,изменяющееся со временем магнитное поле, являющееся по самой своей природе вихревым, создает вихревое электрическое поле (силовые линии, т. е. линии напряженности такого электрического поля, являются замкнутыми) (рис.1).

Рис. 1. Графическое представление взаимосвязи вихревых электрического и магнитного полей.

вектор напряженности электрического поля

- вектор индукции магнитного поля, связан с вектором напряженности магнитного поля соотношением ( - магнитная проницаемость среды).
Согласно Максвеллу, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поле "сцеплены" и неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле.
Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение, так называемый, ток смещения. Током смещения объяснялось протекание переменного электрического тока через конденсатор между его обкладками, т. е. через те участки цепи, где отсутствуют проводники. Максвелл высказал предположение, что ток смещения, как и ток проводимости создает магнитное поле. Ток смещения по своей сути – это изменяющееся со временем электрическое поле, поэтому ток смещения существует и в вакууме. Введя понятие тока смещения, Максвелл по-новому подошел к рассмотрению замкнутых цепей переменного тока. Там, где на концах проводника обрывается ток проводимости, продолжается ток смещения и т. д. Следовательно, полный ток в цепи переменного тока может быть представлен суммой токов проводимости и токов смещения.

При неравномерном движении электрических зарядов, в частности, при их колебательном движении, а значит и при всяком переменном токе, электрическое и магнитное поле будут меняться с течением времени; эти изменения будут передаваться от одной точки пространства к другой, образуя, предсказанную Максвеллом, электромагнитную (ЭМ ) волну. В дальнейшем было показано, что скорость распространения электромагнитных волн (ЭМВ ) в вакууме имеет значение , совпадающее с экспериментально полученным значением скорости света. Обобщение экспериментальных данных (опыты Эрстеда, сила Ампера, закон Био-Савара-Лапласа, основной закон электромагнитной индукции) привело к заключению, что при распространении ЭМВ электрические и магнитные поля имеет взаимно перпендикулярную ориентацию. В направлении распространения ЭМ волну можно представить с помощью двух синусоид, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одна из них изображает колебания вектора напряженности электрического поля , а другая – вектора напряженности магнитного поля .

Оба вектора колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно достигают максимальных и нулевых значений. Направление распространения ЭВ волны (направление вектора скорости ) определяется правилом правого винта (буравчика) (рис. 2). Рисунок хорошо иллюстрирует тот факт, что ЭМ волны являются поперечными, поскольку колебания векторов и происходят в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны(ось OY ).

Рис.2. Графическое представление электромагнитной волны. Электромагнитная теория Максвелла была блестяще подтверждена опытами Герца по распространению ЭМВ.

Общие свойства ЭМВ.
1. ЭМВ поперечные. Векторы напряженностей электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему с направлением распространения волны.
2. Скорость распространения (фазовая) в непроводящей среде , где

3. в бегущей волне всегда колеблются в фазе и одновременно достигают максимальных (амплитудных ) и нулевых значений. В фиксированной точке пространства векторы изменяются со временем по гармоническому закону: