Электромагнитные волны

Волновые процессы – одни из самых распространенных в природе, они могут иметь совершенно разный вид, однако, у них есть многие общие черты. Одним из видов волн являются электромагнитные. Рассмотрим это явление подробнее.

Дальнодействие и близкодействие

Первые опыты показывали, что в основе взаимодействия зарядов лежит принцип дальнодействия. Получалось, что один заряд «чувствует» присутствие другого заряда непосредственно, через любые пространства.

Однако, уравнения электродинамики, разработанные Дж. Максвеллом, предсказывали, что электрическое взаимодействие распространяется с конечной (хотя, и очень высокой) скоростью. Если с зарядом что-то произойдет (например, он исчезнет), то кулоновская сила, которая действовала на другие заряды, еще некоторое время не будет меняться. Теория Максвелла подтверждала принцип близкодействия.

Дальнодействие и близкодействие зарядов

Рис. 1. Дальнодействие и близкодействие зарядов.

Любое событие, происходящее с зарядом, сперва создает локальное изменение электрического поля, и затем это изменение распространяется все дальше и дальше, пока не достигает других зарядов, взаимодействующих с первым.

Наиболее интересные явления происходят, если скорость изменений, происходящим с зарядом, будет также меняться (если заряд будет двигаться с ускорением). В этом случае распространяющиеся изменения электрического поля вдали от заряда будут «не успевать» за изменением скорости движения заряда, электрическое поле «оторвется» от заряда, и будет распространяться независимо. В пространстве появится электромагнитная волна.

Распространение электромагнитной волны

Самым простым движением, включающим в себя ускорение, является колебание заряда по гармоническому закону. Такое колебание заряда порождает колебание электрического поля вокруг заряда, вектор $\overrightarrow E$ которого параллелен вектору перемещения заряда.

А согласно закону электромагнитной индукции, изменение электрического поля порождает вихревое магнитное поле, вектор $\overrightarrow B$ которого перпендикулярен изменению вектора электрического поля $\overrightarrow E$.

Возникшее изменяющееся вихревое магнитное поле, в свою очередь, порождает вихревое изменяющееся электрическое поле, вектор которого $\overrightarrow E$ перпендикулярен вектору породившего его магнитного поля $\overrightarrow B$.

Таким образом, по мере удаления от колеблющегося заряда, возникает структура электрических и магнитных вихревых полей, поддерживающих друг друга, вектора которых взаимно перпендикулярны.

Рис. 2. Векторы распространения электромагнитных волн E B.

Распространение порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей во все стороны от заряда, называется электромагнитной волной. Колебания напряженности поля происходят в направлении, перпендикулярном распространению, то есть, электромагнитные волны являются поперечными.

При этом порождение магнитного поля электрическим требует некоторой энергии (и наоборот). Таким образом, электромагнитные волны, распространяясь, переносят энергию.

Если выписать в таблицу фазы векторов $\overrightarrow E$ и $\overrightarrow B$ с соответствующими расстояниями, то можно видеть, что на различном расстоянии фазы различны. Минимальное расстояние между точками с одинаковой фазой векторов, называется длиной волны $\lambda$.

Длина волны

Рис. 3. Длина волны.

Энергия такого «самоподдерживающегося» распространения волны падает гораздо медленнее, чем энергия породившего его поля. Именно поэтому мы можем видеть свет далеких звезд, хотя ни электрические ни магнитные поля от них до нас не доходят.

Что мы узнали

Кратко об электромагнитных волнах можно сказать, что это система распространяющихся вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. Электромагнитные волны является поперечными, и при своем распространении переносят энергию.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Первые опыты по электричеству подтверждали принцип…

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4. Всего получено оценок: 201.

Предметы