Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью,— вытекает из уравнений Максвелла, сформулированных в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений.

Рис. 1

Электромагнитное поле распространяется в виде поперечной электромагнитной волны (рис. 1), состоящей из двух совпадающих по фазе волн — электрической (т. е. волны напряженности электрического поля) и магнитной (т. е. волны напряженности магнитного поля), перемещающихся в пространстве со скоростью

,

где ε и μ — относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Распространение электромагнитного поля сопровождается переносом электромагнитной энергии.

Длина λ, период Т, частота ν и скорость и распространения электромагнитной волны связаны между собой очевидным соотношением

λ = и T = и / v. (1)

Чем чаще следуют друг за другом максимумы электромагнитного поля, т. е. чем больше частота электромагнитной волны, тем большая энергия переносится этой волной. Расчеты показывают, что интенсивность электромагнитной волны, или, что то же, плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональна (при одинаковых прочих условиях) квадрату частоты волны.

Источниками электромагнитного поля, или, как говорят, источниками электромагнитного излучения, служат всевозможные переменные токи: переменный ток в проводниках, колебательное движение ионов, электронов и других заряженных частиц, вращение электронов в атоме вокруг ядра и т. п.

Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн, способных переносить электромагнитную энергию на значительное расстояние, должен быть переменный ток частоты порядка миллиона герц. Переменные токи столь высокой частоты принято называть электрическими колебаниями. В качестве генератора электрических колебаний и источника электромагнитных волн высокой частоты применяется колебательный контур.

Колебательный контур состоит из конденсатора и катушки самоиндукции (рис. 2, а).

Рис. 2

На рис. 2, а представлен закрытый колебательный контур.

Излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается. Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, раздвигая пластины конденсатора (рис. 2, б), совершил переход от закрытого колебательного контура к открытому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стержня, разделенных искровым промежутком (рис. 2, в). В открытом колебательном контуре переменное электрическое поле заполняет окружающее контур пространство, что существенно повышает интенсивность электромагнитного излучения. Колебания в такой системе поддерживаются за счет источника э. д. с, подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки.

Недостатком вибраторов Герца являлось то, что свободные колебания в них быстро затухали и обладали малой мощностью. Для получения незатухающих колебаний необходимо создать автоколебательную систему, которая обеспечивала бы подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Поэтому в 20-х годах нашего столетия перешли к генерированию электромагнитных волн с помощью электронных ламп. Ламповые генераторы позволяют получать колебания заданной (практически любой) мощности и синусоидальной формы.

Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном частот (или длин волн λ = c/ v, где с — скорость электромагнитных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и регистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и γ-излучения (табл.). Следует отметить, что границы между различными видами электромагнитных волн довольно условны.