Электромагнитные волны
Эти волны совсем не похожи на волны, которые мы наблюдаем на поверхности воды. Они невидимы человеческому глазу, прячутся в солнечных лучах, излучении от далеких звезд. Но человек сумел «приручить» электромагнитные волны, научился создавать их, управлять ими, заставил работать в различных приборах, устройствах, системах. Радиосвязь, управление по радио, телевидение, радиоастрономия — везде используются электромагнитные волны.
Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят разные названия: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, рентгеновские лучи (рис. 1). Этот неиссякаемый поток энергии порождают колебания электрических зарядов атомов и молекул. Если заряд колеблется, то он движется с ускорением, а значит, излучает электромагнитные волны. Изменяющийся поток индукции возбуждает вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку пространства за другой. Распространяющееся электромагнитное поле и называют электромагнитной волной. Скорость его распространения в вакууме [math]c=299\ 792\ 458±1,2[/math] м/с. К такому выводу приводит теория электромагнитного поля, созданная в 1860‑х гг. английским ученым Дж. Максвеллом. Вскоре после Максвелла немецкий физик Г. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн. В его распоряжении были очень простые средства: источник высокого напряжения и вибраторы — пары металлических стержней, разделенные воздушным пространством. Сейчас трудно поверить, что с такой простейшей аппаратурой Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты, включающие и измерение скорости распространения электромагнитной волны.
Вибратор заряжали до напряжения, необходимого для пробоя воздушного промежутка. В момент пробоя в вибраторе возникали электромагнитные колебания, которые затухали по мере того, как электрическая энергия вибратора расходовалась на электромагнитное излучение и нагрев проводников. Излучение регистрировалось приемным вибратором с малым пробивным промежутком. У приемного и излучающего вибраторов была одна и та же собственная частота колебаний. Поэтому излучаемая электромагнитная волна возбуждала в приемном вибраторе резонансные колебания большой амплитуды, и в промежутке между его проводниками происходил пробой — появлялись небольшие искры. По этим искрам можно было судить об интенсивности электромагнитного излучения в месте установки приемного вибратора.
Герц направлял излучение на большой металлический лист. Падающая и отраженная бегущие волны [math]a\sin (\omega t−\frac{2\pi }{\lambda })[/math] и [math]a\sin (\omega t+\frac{2\pi }{\lambda })[/math] складывались, образуя стоячую волну [math]2a\cos \frac{2\pi x}{\lambda }\cdot \sin \omega t.[/math] Передвигая приемный вибратор, Герц нашел пучности стоячей волны [math]A[/math] и [math]B,[/math] измерил расстояние [math]l[/math] между ними и определил длину волны [math]λ=2l.[/math] По геометрическим размерам элементов вибратора можно рассчитать его емкость и индуктивность, а следовательно, и собственную частоту колебаний [math]ν,[/math] равную частоте излучаемой волны. Это и сделал Герц, а затем определил скорость распространения электромагнитной волны [math]c=νλ.[/math] Получилась величина, равная скорости света. Это доказывало электромагнитную природу света.
Русский ученый А. С. Попов применил для регистрации радиоволн когерер — стеклянную трубку с двумя электродами, между которыми помещались мелкие металлические опилки. Когерер под действием электромагнитной волны в сильной степени меняет свое электрическое сопротивление и, включенный в цепь постоянного тока, может управлять работой телеграфного аппарата. Когерер значительно чувствительнее к электромагнитному излучению, чем вибратор Герца. Благодаря этому и другим усовершенствованиям А. С. Попов 7 мая 1895 г. впервые в истории осуществил радиосвязь: на расстояние 250 м были переданы слова: «Генрих Герц».
Из решений уравнений Максвелла (см. Электродинамика) следует, что интенсивность излучения заряда, движущегося с ускорением a, пропорциональна [math]a^2.[/math] Как известно, ускорение колеблющегося электрона, как и всякой частицы, равно: [math]−ω^2\sinωt.[/math] Таким образом, получается, что интенсивность излучения электронов в антенне пропорциональна [math]ω^4.[/math] Столь сильная зависимость мощности излучения от частоты служит причиной того, что источники промышленного переменного тока практически не испускают электромагнитные волны.
Интенсивное излучение начинается при достижении частот порядка сотен тысяч герц. При этом излучение когерентного устройства, испускающего когерентные электромагнитные волны, например радиопередатчика, на больших по сравнению с его размерами и длиной излучаемой волны расстояниях может быть заменено излучением эквивалентного электрического диполя с переменным дипольным моментом: [math]\tilde{p}=\tilde{p}_0\sinωt,[/math] где [math]\tilde{p}_0[/math] — максимальное значение дипольного момента. Такой диполь называют линейным гармоническим осциллятором.
Волна, излучаемая гармоническим осциллятором, монохроматическая и когерентная. Её рассматривают как плоскую монохроматическую волну, структура которой представлена на рис. 3. У такой волны постоянная частота колебаний, векторы [math]\overrightarrow{E}[/math] и [math]\overrightarrow{H}[/math] лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны:
[math]|\overrightarrow{E}|=E_y = A\sin(ωt−kx);[/math]
[math]|\overrightarrow{H}|=H_z =\sqrt{\frac{εε_0}{μμ_0}}E_y.[/math]
<addc>l</addc>
В плоскости, определяемой постоянным значением [math]x=x_0,[/math] концы векторов [math]\overrightarrow{E}[/math] и [math]\overrightarrow{H}[/math] движутся по прямым линиям. Поэтому такую волну называют линейно поляризованной, а плоскость, в которой лежат вектор [math]\overrightarrow{E}[/math] и луч [math]Ox,[/math] — плоскостью поляризации. В общем случае концы векторов плоской поляризованной волны описывают эллипсоид, и такая волна называется поляризованной эллиптически.
Поляризация электромагнитной волны — очень важное её свойство. От положения плоскости поляризации по отношению к отражающей поверхности зависит коэффициент отражения волны, степень поглощения энергии волны кристаллами и характер рассеяния неоднородностями.
Реальные электромагнитные волны сложнее по структуре. На практике когерентной волной называют волну, у которой не меняется фаза за время наблюдения того или иного явления. Поэтому в одном эксперименте волна одного и того же источника может рассматриваться как когерентная, а в другом — как волна с меняющейся фазой. Монохроматическая когерентная волна не может нести никакой информации, кроме факта существования излучателя данной волны,— один период колебаний неотличим от другого. Запись голоса человека на волне радиопередатчика или изображения и звука на волне телевизионной станции производится путем изменения частоты, амплитуды или фазы электромагнитной волны. Такой процесс называют модуляцией (см. рис. 2). Любой вид модуляции в конечном итоге сводится к изменению частоты излучения во времени. Так, волна с амплитудной модуляцией, когда амплитуда высокочастотного излучения изменяется со сравнительно низкой частотой, может быть представлена в виде двух немодулированных волн, но с различными частотами [math]ω−Ω[/math] и [math]ω+Ω:[/math]
[math]a\sinΩt⋅\cosωt=[/math] [math]\frac{1}{2}a\sin(ωt-Ωt)+[/math] [math]\frac{1}{2}a\sin(ωt+Ωt).[/math]
Электромагнитная волна переносит энергию. Объемная плотность энергии плоской поляризованной волны: [math]W=εε_0A^2\sin^2(ωt−kx),[/math] а её средняя величина: [math]\left\langle W \right\rangle=\frac{εε_0A^2}{2}[/math] Дж/см3. Энергия [math]E_В,[/math] протекающая через поверхность [math]S,[/math] перпендикулярную распространению волны, за время [math]t,[/math] равна [math]E_В=\left\langle W \right\rangle vSt.[/math] Величину [math]I=\left\langle W \right\rangle v[/math] называют интенсивностью. Электромагнитное излучение высокой частоты, рентгеновские лучи, гамма-излучение обычно рассматриваются как поток квантов-корпускул с энергией [math]hv,[/math] где [math]h[/math] — постоянная Планка, [math]ν=ω/2π.[/math]
Законы излучения атомов и молекул объясняет квантовая теория излучения. На её основе построены когерентные излучатели микрорадиоволн и световых волн — мазеры и лазеры. Еще более коротковолновое излучение, чем у лазеров, возникает при торможении быстро заряженных частиц в веществе. Переход атомного ядра из одного состояния в другое и некоторые иные процессы, например аннигиляция частиц, приводят к испусканию гамма-излучения — электромагнитных волн с наиболее высокими частотами колебаний.
