Электромагнитное поле и волны. Свойство электромагнитных волн.

Механические волновые явления имеют огромное зна­чение для повседневной жизни. К этим явлениям относится распространение звуковых колебаний, обусловленное упру­гостью окружающего нас воздуха. Благодаря упругим вол­нам мы можем слышать на расстоянии. Круги, разбегаю­щиеся на поверхности воды от брошенного камня, мелкая рябь на поверхности озера и огромные океанские волны — это тоже механические волны, хотя и иного типа. Здесь связь смежных участков поверхности воды обусловлена не силой упругости, а силой тяжести или же силами поверхностного натяжения. В воздухе могут распространяться не только звуковые волны, но и разрушительные взрывные волны от разрывов снарядов и бомб. Сейсмические станции записы­вают колебания почвы, вызванные землетрясениями, про­исходящими за тысячи километров. Это возможно только потому, что от места землетрясения распространяются сейсмические волны — колебания в земной коре.

Огромную роль играют и волновые явления совершенно иной природы, а именно электромагнитные волны. Эти волны представляют собой передачу из одних мест пространства в другие колебаний электриче­ского и магнитного полей, создаваемых электрическими зарядами и токами. Связь между соседни­ми участками электромагнитного поля обусловлена тем, что всякое изменение электрического поля вызывает появ­ление магнитного поля, и обратно, всякое изменение маг­нитного поля создает электрическое поле. Твердая, жидкая или газообразная среда может сильно влиять на распространение электромагнитных волн, но наличие та­кой среды для этих волн не необходимо. Электромагнитные волны могут распространяться всюду, где может существо­вать электромагнитное поле, а значит, и в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем атомов.

К явлениям, обусловленным электромагнитными вол­нами, относится, например, свет. Подобно тому, как опре­деленный диапазон частот механических колебаний вос­принимается нашим ухом и дает нам ощущение звука, так определенный (очень узкий) диапазон частот электромагнитных колебаний воспринимается нашим глазом и дает нам ощущение света.

Наблюдая распространение света, можно непосредствен­но убедиться, что электромагнитные волны могут распро­страняться в вакууме. Поставив под стеклянный колокол воздушного насоса электрический или заводной звонок и откачивая воздух, мы обнаруживаем, что звук по мере от­качки постепенно замирает и, наконец, прекращается. Видимая же глазом картина всего, что находится под коло­колом и позади него, не испытывает никаких изменений. Трудно переоценить это свойство электромагнитных волн. Механические волны не выходят за пределы земной атмо­сферы; волны же электромагнитные открывают нам широ­чайшие просторы Вселенной. Световые волны позволяют нам видеть Солнце, звезды и другие небесные тела, отделен­ные от нас огромными «пустыми» пространствами; с по­мощью электромагнитных волн весьма разнообразной дли­ны, которые доходят до нас от этих отдаленных тел, мы можем делать важнейшие заключения об устройстве Все­ленной.

В 1895 г. русский физик и изобретатель Александр Степанович Попов (1859—1906) открыл новое необозри­мое поле применения электромагнитных волн. Он изобрел аппаратуру, позволяющую использовать эти волны для передачи сигналов — телеграфирования без проводов. Так родилась беспроволочная связь, или радио, благодаря которой получил исключительное практическое и науч­ное значение обширный диапазон электромагнитных волн, значительно более длинных, чем световые.

Нынешнее развитие этого величайшего изобретения та­ково, что можно с полным основанием говорить о радио как об одном из чудес современной техники. В наши дни радио дает возможность не только осуществлять беспрово­лочную телеграфную и телефонную связь между любыми пунктами на земном шаре, но и передавать изображения (телевидение и фототелеграфия), управлять на расстоянии машинами и снарядами (телеуправление), обнаруживать и даже видеть удаленные объекты, которые сами по себе не излучают радиоволн (радиолокация), водить по заданному курсу корабли и самолеты (радионавигация), наблюдать радиоизлучение небесных тел (радиоастрономия) и т. д.

Даже простое (и далеко не полное) перечисление при­менений электромагнитных волн немало говорит об исключительном значении этих волн.

Несмотря на различную природу механических и элект­ромагнитных волн, существует много общих закономерно­стей, свойственных любым волновым явлениям. Одна из основных закономерностей такого рода состоит в том, что всякая волна распространяется из одной точки в другую не мгновенно, а с определенной скоростью.

Электромагнитные волны. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет 300 000 км/с. Электромагнитные волны возникают вследствие связи между изменениями элект­рического и магнитного полей. Всякое изменение напряженности электрического поля в какой-нибудь точке пространства вызывает в смежных точках появление переменного магнитного поля, изменение которого в свою очередь порождает меняющееся электрическое поле. Именно поэтому происходит передача колебаний электри­ческого и магнитного полей из одной точки пространства в соседние, т. е. происходит распространение электромаг­нитной волны.

Мы знаем, что электрическое поле создается электриче­ски заряженными телами, а магнитное поле окружает проводники, по которым течет электрический ток (т. е. происходит перемещение электрических зарядов). Если электрические заряды неподвижны, то и создаваемое ими электрическое поле остается все время одним и тем же, не меняется. Если заряды движутся (например, в металли­ческой проволоке) равномерно, то мы имеем постоянный ток, создающий постоянное же, не изменяющееся магнит­ное поле. Таким образом, в обоих случаях электрическое и магнитное поля неизменны, а значит, и электромагнитная волна возникнуть не может.

Но при неравномерном движении электри­ческих зарядов, в частности при всяком их колеба­нии, а значит, и при всяком переменном токе электрическое и магнитное поля будут меняться с течением времени; эти изменения передаются от точки к точке и, следо­вательно, распространяются во все стороны, образуя элек­тромагнитную волну.

Казалось бы, что получить электромагнитную волну весьма просто. Можно, например, заставить заряженное тело совершать колебательное движение или пропустить городской переменный ток через проволочную катушку. Так как в первом случае будет меняться электрическое поле, а во втором — магнитное, то, согласно сказанному, должна будет возникнуть электромагнитная волна. Однако практически при такой постановке опыта мы не получим доступных наблюдению волновых явлений.

В чем же причина этого неуспеха?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо более внимательно рассмотреть, как возникают электромаг­нитные волны, и выяснить, при каких условиях они хорошо излучаются.