4. Элект­ромагнитные волны

Согласно Максвеллу, изменяющееся электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Если электрическое поле будет изменяться, например, по гармоническому закону, то появляющееся магнитное поле также будет изменяться по гармоническому закону (производная от sin x равна cos x). Это изменение магнитного поля приведет в свою очередь к появлению изменяющегося электрического поля и т. д. Анализируя свои уравнения, Максвелл обнаружил, что конечным итогом подобной связи изменяющихся полей будет появление волны, ко­торая содержит электрическое и магнитное поля и способна распространяться в однородном пространстве.

Схематически этот процесс распространения электромагнитного поля изображен на Рис. 3 .78. Перемен­ное магнитное поле с линиями индукции В (в центре рисунка) порождает вихревое элект­рическое поле с линиями напряженности Е. Это электрическое поле создает магнитное поле с линиями индукции B₁ и т. д. Возникающие вихри магнитного или электрического поля гасят поле в тех областях пространства, где они уже имелись, так как направления вновь появившихся полей противоположны направлениям полей, появлявшихся ранее (см. Рис. 3 .78), но захва­тывают новые области пространства.

Рис. 3.78 Взаимные преобразования переменных электрического и магнитного полей

Векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волны с очень боль­шой, но конечной скоростью. Значение скорости было найдено Максвеллом: , где - электрическая и магнитная постоянные, соответственно. В вакууме  =1 и  =1. Подстановка числовых величин электрической и магнитной постоянной дает значение скорости света в вакууме с =310⁸ м/с. Совпадение скорости электромагнитных волн с известной к тому времени скоростью света навело Максвелла на мысль, что свет – это электромагнитные волны.

Электромагнитная теория Максвелла была экспериментально подтверждена Герцем, который для излучения электромагнитных волн использовал вибратор  открытый колебательный контур. В экспериментах Герц наблюдал отражение волн от металлического листа и интерференцию, т.е. свойства, характерные для света, определил также длину электромагнитной волны и экспериментально подтвердил значение скорости ее распространения, предсказываемое теорией Максвелла.

Вопросы

1. Какое явление, открытое экспериментально, описывается первым уравнением Максвелла?

2. Как направлены линии напряженности возникающего вихревого электрического поля относительно направления вектора индукции изменяющегося магнитного поля?

3. Как изменится направление возникающего вихревого электрического поля (Рис. 3 .74), если вызывающее его магнитное поле будет уменьшаться?

4. Что такое ток смещения? Есть ли в этом названии какой-либо физический смысл?

5. Как направлены силовые линии возникающего магнитного поля относительно направления вектора напряженности изменяющегося электрического поля?

6. Как изменится направление возникающего магнитного поля (Рис. 3 .75), если вызывающее его электрическое поле будет уменьшаться?

7. Изменятся ли в случаях, указанных на Рис. 3 .74 и Рис. 3 .75, направления возникающих полей, если мы выберем противоположное направление обхода контура?

8. Почему возникающее под действием переменного магнитного поля электрическое поле называют вихревым, тогда как в отношении магнитного поля, возникающего под действием переменного электрического, такого уточнения не делают?

9. Каков физический смысл каждого из уравнений Максвелла?

10. Почему закон Ома не входит в систему фундаментальных уравнений?

11. Почему электрическое поле неподвижных зарядов и магнитное поле постоянного тока можно изучать раздельно?

12. Можно ли выбором закона изменения электрического поля во времени сделать так, чтобы возникающее магнитное поле было постоянным? Возникнут ли в этом случае электромагнитные волны?

13. Чему равна скорость распространения электромагнитных волн в вакууме?

14. Если волна распространяется в веществе, например в стекле, то скорость волны будет больше или меньше, чем в вакууме?