Електромагнітні хвилі
Луч, пронизала ефір,
На землі обернеться
Цілою армією відблисків…
М. Величка
Як ви дізналися з попереднього параграфа, Фарадеем було відкрито явище електромагнітної індукції. Але ми знаємо, що зовнішню силу, яка викликає в провіднику струм, називають електрорушійної силою (ЕРС). Отже, рух провідника відносно магнітного поля (або рух магнітного поля щодо провідника) призводить до виникнення ЕРС. Завдяки цій силі в провіднику виникне струм, який, як нам теж вже відомо, буде створювати навколо себе магнітне поле.
У підручнику фізики для 9 класу описується принцип роботи коливального контуру. Суть його в загальних рисах така. Існує електричний ланцюг, в якій знаходиться конденсатор, на якому є різниця потенціалів, і котушка, що складається з багатьох витків електричного провідника. Конденсатор розряджається, по ланцюгу тече струм, який, проходячи через котушку, створює в ній магнітне поле. Під дією цього поля у ланцюзі виникає ЕРС, що викликає рух зарядів в протилежному напрямку. Коли цей рух стає досить сильним, сумарне напрямок струму в мережі змінюється і конденсатор знову заряджається. Потім весь процес повторюється спочатку і в контурі виникають періодичні коливання електричного заряду і електричного струму.
Але ми знаємо, що в багатьох випадках виникли в якійсь точці коливання можуть з неї поширюватися в просторі, викликаючи хвильові процеси. Чи можливо це в разі електромагнітних коливань?
Існування електромагнітних хвиль теоретично передбачив великий британський фізик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). Він же розробив систему математичних рівнянь, що описують їх поширення. Максвелл припустив, що будь-які зміни електричного або магнітного поля повинні викликати зміни в напруженості і магнітної індукції в сусідніх областях. Для цього не потрібно наявності будь-яких електричних зарядів (електронів, іонів і т. П.). Просто змінюється поле створює інше змінюється поле, то, в свою чергу, нове поле, і в результаті в просторі поширюється електромагнітна хвиля. Ця хвиля є поперечною, і для неї справедливі всі характеристики, які властиві іншим хвилям. Ми можемо описати електромагнітну хвилю з допомогою її швидкості, амплітуди, довжини і частоти коливань, як про це говорилося в § 23.
На підставі своїх розрахунків Максвелл прийшов до висновку, що електромагнітні хвилі поширюються не миттєво, а з деякою, хоча і дуже великий, швидкістю. Йому вдалося обчислити цю швидкість. Вона склала 3 – 1010 см / с або 300 000 км / с, що виявилося величиною, дуже близькою до швидкості світла, яка за кілька років до того була виміряна французьким фізиком А. Фізо. Виходячи з цього, Максвелл прийшов до висновку, що світло являє собою електромагнітну хвилю.
Природа електромагнітних хвиль, однак, викликала великі здивування. Незважаючи на математичну витонченість рівнянь Максвелла, представлені їм фізичні докази були непереконливі. Головна проблема полягала в тому, що всі інші відомі хвилі поширюються в якому-небудь середовищі: газах, рідинах або твердих тілах. Для електромагнітних хвиль Максвелл придумав штучне пояснення з використанням гіпотетичної середовища, яке не переконало фізиків. Насправді для поширення світла не потрібно нічого. У цьому легко переконатися, якщо помістити електричну лампочку під герметичний скляний дзвін, з якого потім почати відкачувати повітря (рис. 81). Яким би розрідженим ні ставав повітря під дзвоном, лампочка буде горіти так само яскраво, як і спочатку. У той же час, якщо разом з лампочкою ми помістимо під ковпак дзвінок, то дуже скоро перестанемо чути його звучання. Це показує, що світло може поширюватися і у вакуумі.
Але якщо світло являє собою коливання, то що ж саме коливається? Уявити собі коливання без матеріального посередника фізики позаминулого століття не могли. Тому, як ми вже говорили, вони придумали для пояснення поширення електромагнітних коливань спеціальне середовище, яку називали ефіром. Вважалося, що ефір всюди однорідний і цілком заповнює собою будь-яку речовину, а також вакуум. За це його назвали “світовим ефіром”. Ніхто не пояснював його природи, але всі вважали, що світло являє собою коливання ефіру, так само як інші хвилі представляють коливання речовини. Від гіпотези світового ефіру фізикам довелося відмовитися на початку минулого століття, про що ви дізнаєтеся з наступного розділу.
Вперше експериментально підтвердив теорію Максвела Генріх Герц (1832-1918) в 1888 р (рис. 82). За допомогою сконструйованого ним приладу він довів, що коливання струму викликають у просторі хвилі. Ці хвилі складаються з двох коливань – напруженості електричного поля і індукції магнітного поля, – спрямованих перпендикулярно один одному. Крім того, спрямування цих коливань перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі. Герцу вдалося визначити довжину хвилі, испускаемой його приладом, і виміряти швидкість її поширення. Ця швидкість збіглася зі швидкістю поширення світла. Результати експериментів Герца повністю підтвердили правильність рівнянь Максвелла, що призвело до загального визнання цієї теорії.
Надалі були розроблені методи дослідження, а також способи одержання електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі і, відповідно, з різною частотою коливань. Свого часу Герц, який відкрив електромагнітне випромінювання, визнавав, що це найцікавіше явище ніколи не зможе знайти практичного застосування. Зараз важко уявити собі галузь людської діяльності, де б не використовувалися електромагнітні хвилі – від вивчення будови атома до дослідження галактик, від медицини до космічного зв’язку.
Перевірте свої знання
1. Згадайте і опишіть роботу коливального контуру.
2. Хто з фізиків вперше розробив теорію електромагнітних хвиль?
3. З якою швидкістю поширюються електромагнітні хвилі?
4. З якою метою було придумано поняття “світової ефір”?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)