Физика. 11 класс

Практически до начала ХХ в. человеческая цивилизация не знала о существовании электромагнитных волн, использование свойств которых до неузнаваемости изменило быт современных людей. Как тепловое излучение Солнца достигает Земли через холодные просторы космоса? Конечна ли скорость света? Как осуществляется связь с космонавтами на околоземной орбите?

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. английский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся во времени.

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

Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Силовые линии этого поля замкнуты и охватывают линии индукции магнитного поля, и напряженность  в любой точке пространства перпендикулярна индукции  магнитного поля
(рис. 72, а).

Максвелл предположил, что любое изменение напряженности вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля (рис. 72, б). Далее этот процесс может повторяться «до бесконечности», поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме.

Таким образом, в вакууме возникает система изменяющихся и взаимно поддерживающих друг друга электрических и магнитных полей, захватывающих все большие и большие области пространства (рис. 73).
Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют переменным электромагнитным полем. Согласно теории Максвелла электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Рассмотрим подробнее процесс образования электромагнитного поля в пространстве, окружающем проводник.
Пусть в проводнике возбуждены электромагнитные колебания, в результате чего сила электрического тока в нем непрерывно меняется. Поскольку сила тока связана со скоростью движения свободных зарядов в проводнике, то скорость движения последних также будет непрерывно изменяться с течением времени. Это говорит о том, что свободные заряды внутри проводника будут двигаться с ускорением.
Согласно теории Максвелла при ускоренном движении свободных зарядов в проводнике в пространстве вокруг него создается переменное магнитное поле, которое порождает переменное вихревое электрическое поле. Последнее, в свою очередь, вновь вызывает появление переменного магнитного поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д. Таким образом, в пространстве вокруг проводника образуются взаимосвязанные электрические и магнитные поля, которые распространяются с течением времени в виде волны.

Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с конечной скоростью, называется электромагнитной волной (рис. 74).
Электромагнитные волны являются поперечными. В них направления колебаний векторов напряженности  электрического поля и индукции  магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

Подобно упругим механическим волнам электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, преломление на границах сред. Но в отличие от упругих волн электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме. 

Частота электромагнитных волн совпадает с частотой колебаний излучающих частиц. Максимальное значение ускорения при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты колебаний . Так как излучают только ускоренно движущиеся заряды, то модуль напряженности электрического поля и модуль индукции магнитного поля пропорциональны модулю ускорения E ~ α, B ~ α , то E ~ ν². Тогда интенсивность излучаемой электромагнитной волны пропорциональна четвертой степени частоты  I ~  ~ ν⁴.

Таким образом, для получения интенсивных электромагнитных волн от некоторого источника необходимо создать в нем колебания излучающих заряженных частиц достаточно высокой частоты. 

Одним из важнейших результатов теории Максвелла было теоретическое определение модуля скорости распространения электромагнитных волн (света). Согласно этой теории модуль скорости распространения с электромагнитной волны в вакууме связан с электрической по­стоянной  и магнитной постоянной  следующим соотношением

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе скорость их распространения меньше с и зависит от его электрических и магнитных свойств.
Совпадение скорости электромагнитных волн со скоростью света дало возможность Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Благодаря этому произошло объединение в одно учение оптики и электромагнетизма.
Электромагнитные волны были экспериментально открыты немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. Для их генерации он использовал специальное устройство (рис. 75, а), впоследствии названное вибратором Герца.
Герц исследовал излучаемое вибратором электромагнитное поле. В воздушном зазоре между шарами при переменном напряжении, достигающем значения пробоя воздуха, происходил искровой разряд. При этом в вибраторе возникали электромагнитные колебания высокой частоты. Индикатором электромагнитных волн, возникающих в опытах Герца, служила искра, образующаяся в приемном контуре (рис. 75, б). Размеры приемного контура (в форме прямоугольного контура или кольца) выбирались таким образом, чтобы собственная частота возникающих в нем колебаний была равна частоте излучаемых волн.
Изменяя положение приемного контура по отношению к вибратору и наблюдая появление в нем искры, Герц определял наличие поля в различных точках пространства. Таким образом, Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн.
В своих экспериментах, проведенных в 1887— 1891 гг., Герц сумел не только убедительно доказать существование электромагнитных волн, но и установить их основные свойства.

Перечислим основные свойства электромагнитных волн:
• распространяются не только в различных средах, но и вакууме;
• в вакууме распространяются со скоростью ;
• отражаются и преломляются на границах раздела сред;
• являются поперечными.

Исследования по передаче информации электромагнитными волнами, проведенные русским ученым Александром Степановичем Поповым, показали, что для радиосвязи можно использовать колебательный контур. Закрытый контур излучает слабо, так как электрическое поле сосредоточено в основном между обкладками конденсатора, а магнитное — в катушке, т. е. поля пространственно разделены. Такая система с сосредоточенными параметрами практически не излучает электромагнитные волны. 

Проследим за изменениями в системе при увеличении расстояния  d между обкладками конденсатора, при уменьшении площади  S обкладок конденсатора и при уменьшении числа N витков катушки. 

Так как при этом электроемкость конденсатора и индуктивность катушки уменьшаются, то собственная частота колебаний контура   увеличится. Соответственно, увеличится и интенсивность излучения, которая при прочих равных условиях .

Таким образом, для эффективного излучения контур необходимо «открыть», раздвинув обкладки конденсатора, т. е. создать условия «ухода» поля в пространство (рис. 75-1, а). Если заменить катушку прямым проводом, то частота ω увеличится еще больше. В результате приходим к открытому колебательному контуру  — это прямой провод
(рис. 75-1, б). 

Однако в таком виде его невозможно использовать на практике, так как мощность излучения и в этом случае невелика. Интенсивное излучение начинается при достижении частот порядка сотен тысяч герц. Поэтому в действительности контур состоит из катушки, конденсатора и длинного провода — антенны (рис. 75-1, в). Один конец провода соединен с землей (заземлен), второй — поднят над поверхностью Земли (см. рис. 75-1, в). 

Длина антенны изготовляется кратной половине длины волны, так как в этом случае она настроена в резонанс с генератором колебаний, что обеспечивает оптимальные условия для излучения и приема электромагнитных волн. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве электромагнитное поле, и электромагнитные волны распространяются от антенны (рис. 75-2). 

Спектр электромагнитного излучения удобно изображать в виде шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 76. 

Свойства электромагнитных волн очень сильно зависят от их частоты. Излучение электронов, обусловленное их движением в проводниках, позволяет генерировать электромагнитные волны с частотой до 10¹² Гц. Для генерации излучений с частотой выше 10¹² Гц используют излучение атомов. Верхний предел частот, которые могут генерировать атомные системы, составляет 10³⁰ Гц.

Излучения более высоких частот (гамма-излучение) испускаются атомными ядрами. 

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) приведена в таблице 7

Таблица 7. Классификация электромагнитных волн
Виды излучения	Интервал частот, Гц; (длин волн (вакуум), м)	Источники излучения	Приемники излучения (применение)
Низкочастотные волны		Генераторы пере­мен­ного тока, электрические машины	Передача элект­ри­ческой энер­гии, обработка металлов
Радиоволны		Колебательные контуры, вибраторы Герца	Колебательные контуры элект­рических це­пей, связь и на­ви­га­ция
Микроволны		Мазеры, полупровод­ни­ковые приборы	Колебания мо­лекул, при­готов­ление пищи, на­гре­вание
Инфракрасное излучение		Солнце, электро­лампы, лазеры, кос­мическое излучение	Кожа человека, сушка, тепловое фотокопиро­вание
Видимое излучение		Солнце, электро­лампы, лазеры, све­то­диоды	Глаз человека
Ультрафиолетовое излучение		Солнце, космическое излучение, лазеры, электролампы	Кожа человека (загар, лечение заболеваний ко­жи), уничто­же­ние бактерий, сигнализация
Рентгеновское излучение		Бетатроны, солнеч­ная корона, небес­ные тела, рентгенов­ские трубки	Ионизация, счетчик Гейгера-Мюллера, рент­гено­графия, радио­логия, обна­ружение подделок произ­ведений искус­ства
Гамма излучение		Космическое излу­чение, радиоактив­ные распады, бетатрон, циклотрон	Стерилизация, медицина, лечение рака

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике в таких процессах и явлениях, как:
• плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны);
• телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны);
• мобильная связь, радиолокация (микроволны);
• сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение);
• освещение, голография, лазеры (видимое излучение);
• люминесценция в газоразрядных лампах, лазеры (ультрафиолетовое излучение);
• рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение);
• дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, военное дело (гамма-излучение).

7 мая 1895 г. русский ученый Александр Степанович Попов на заседании Русского физико-химического общества в Санкт - Петербурге сообщил о возможности приема электромагнитных сигналов на расстоянии. А уже 18 декабря 1897 г. он передал на расстояние 250 м первую в мире радиограмму из двух слов «Heinrich Hertz» (Генрих Герц) в честь первого в мире человека, наблюдавшего электромагнитные волны. В 1901 г. итальянский инженер Г. Маркони впервые осуществил радиосвязь через Атлантический океан. В 1909 г. он получил Нобелевскую премию за развитие радиотехники и распространение радио как средства связи.