Referat. Электромагнитное поле

Электромагнитное поле

В пространстве, где изменяется магнитное поле, всегда появляется вихревое электрическое поле (индуцированное электрическое поле). При этом замкнутый контур позволяет только его обнаружить, поскольку поле существует независимо от наличия этого замкнутого контура. Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты и их направление связано с изменением наводящего (индуцирующего) магнитного поля правилом Ленца (правилом правого винта, но учтите, что индукционное поле препятствует причине его вызывающей) (рис. 1а), т.е. это поле носит вихревой, не потенциальный характер, подобно магнитному. Максвелл в связи с этим обстоятельством высказал мысль о возможной равноправности полей: при изменении магнитного поля возникает поле электрическое (рис. 1а) и наоборот, при изменении электрического должно возникать магнитное поле (рис. 1б).

• 
• 

Рис. 1

Максвелл теоретически доказал свое предположение, создав теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов:

1. Переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле.
2. Переменное электрическое поле создает в окружающем его пространстве вихревое магнитное поле (которое связано с переменным электрическим так же правилом правого винта). При этом, чем больше скорость изменения напряженности электрического поля, тем более сильное возникает магнитное поле, связанное с электрическим. Точно также, чем больше скорость изменения индукции магнитного поля, тем более сильное возникает электрическое поле.

Таким образом, электрическое и магнитное поля «сцеплены» друг с другом, существуют одновременно, взаимно порождают и поддерживают друг друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло переменное электрическое поле. Не менее важно то обстоятельство, что электрическое поле без магнитного, и наоборот, могут существовать лишь по отношению к определенным системам отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета, а относительно другой он будет двигаться и, следовательно, создавать магнитное поле.

Совокупность неразрывно связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитное поле.

Электромагнитные волны

Согласно гипотезе Максвелла однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окружающего пространства.

Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

Распространение электромагнитной волны связано с наведением элекромагнитного поля в последующих точках и уничтожением в предыдущих (пройденных) точках пространства (рис. 2).

Свойства электромагнитных волн

1. Из сказанного следует, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей, т.е. от источника электромагнитных колебаний должны во все стороны распространяться электромагнитные волны с определенной скоростью. Вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн — очень важное следствие из теории Максвелла. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света с ≈ 3·10⁸ м/с, а в среде эта скорость меньше и зависит от свойств среды:

   \(~\upsilon = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot \mu \cdot \mu_0}}\)

2. При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля \(~\vec E\) и индукции магнитного поля \(~\vec B\) в каждой точке пространства. Электромагнитная волна — поперечная волна, так как \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) и \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
3. Колебания векторов \(~\vec E\) и \(~\vec B\) в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковы фазах и по двум взаимноперпендикулярным направлениям \(~\vec E \perp \vec B\) в каждой точке пространства.
4. Векторы \(~\vec E\) и \(~\vec B\) образуют с вектором скорости распространения \(~\vec \upsilon\) правовинтовую систему (рис 3): если головку винта расположить в плоскости векторов \(~\vec E\) и \(~\vec B\), и поворачивать ее в направлении от \(~\vec E\) к \(~\vec B\) по кратчайшему пути, то поступательное движение винта укажет направление вектора \(~\vec \upsilon\) в момент времени t. С течением времени вся картина сместится вправо со скоростью \(~\vec \upsilon\) .

   

   Рис. 3

5. Период электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливо соотношение \(~\lambda = \upsilon \cdot T ; \lambda = \frac{\upsilon}{\nu}\) . В вакууме \(~\lambda_0 = \frac{c}{\nu} = c \cdot T\) — длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде, так как ν = const и изменяется только υ и λ при переходе от одной среды к другой.
6. Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. Объемная плотность энергии электромагнитной поля определяется выражением \(~\omega_{EM} = \frac{\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2}{2} + \frac{B^2}{2\cdot \mu \cdot \mu_0 }\) .
7. Источниками электромагнитных волн являются изменяющийся со временем электрический ток или ускоренно движущиеся заряды. Наличие ускорения зарядов — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Так как Е ~ а и В ~ а, где \(~a = - \omega^2 q\) — ускорение колебания заряда в источнике, то энергия, переносимая волной, а значит и интенсивность волны пропорциональна четвертой степени частоты (см. пункт 6), т.е. \(~\omega_{EM} \sim \omega^4\). Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн, способных переносить электромагнитную энергию на значительные расстояния, должен быть переменный ток очень высокой частоты (порядка миллиона Герц). Понятно, что никакие механические генераторы не могут создать переменный ток такой частотой (для этого якорь должен был бы совершать не менее 10⁶ оборотов в 1 с). Источником электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур.
8. Электромагнитные волны, как и другие волны, распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды во вторую, отражаются от металлических преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.
9. Электромагнитные волны могут распространяться не только вдоль проводника с током, но и в диэлектриках, и в вакууме, где нет электрических зарядов.
10. Электромагнитная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее испускания электромагнитное поле волны становится не связанным с источником.

Литература

1. Аксенович Л.А., Ракина Н.Н. Физика. Колебания и волны. — Мн.: Ди-зайнПРО, 1997. — с. 93-97.

Дополнительная литература

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1997. — с. 69-71.
2. Буров Физика от А до Я.