Описаний процес насправді не є хвилею, тобто цей процес – однократний, а не поширюється періодичним коливальним процесом.

Якщо в просторі змінюється електричне поле, то внаслідок індукції воно спричиняє в цій області простору і прилеглих до нього областях змінне магнітне поле. Змінне магнітне поле, у свою чергу, породжує змінне електричне поле і т. д.

Тема №4. Електромагнітна теорія ВИНИКНЕННЯ ТА РОЗПОВСЮДЖЕННЯ світла

Таким чином, до початку XVIII століття існувало два протилежних підходи до пояснення природи світла : корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теорія Гюйгенса . Обидві теорії пояснювали прямолінійне поширення світла , закони відбиття і заломлення. Весь XVIII століття стало століттям боротьби цих теорій . Однак на початку XIX століття ситуація докорінно змінилася. Корпускулярна теорія була відкинута і восторжествувала хвильова теорія . Велика заслуга в цьому належить англійському фізику Т. Юнгом і французькому фізику О. Френелю , що досліджували явища інтерференції і дифракції . Вичерпне пояснення цих явищ могло бути дано тільки на основі хвильової теорії . Важливе експериментальне підтвердження справедливості хвильової теорії було отримано в 1851 році , коли Ж. Фуко (і незалежно від нього А. Фізо ) виміряв швидкість поширення світла у воді і отримав значення υ < c .

У середині XIX ст. встановлено чимало фактів, що вказують на зв'язок електричних і магнітних явищ з оптичними.

· Англійський фізик М. Фарадей установив зв'язок електрики й магнетизму, а 1845 р. відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі.

· Розвиваючи уявлення А. Ампера і М. Фарадея про взаємозв'язок електричних і магнітних явищ, Дж. Максвелл відкрив електромагнітне поле і встановив основні закони для процесів, що відбуваються в змінних електричних і магнітних полях у вільному просторі. Найважливішим висновком теорії електромагнітного поля, розробленої Дж. Максвеллом у 1860—1865 pp., є те, що у вільному просторі можуть поширюватись електромагнітні хвилі, швидкість яких дорівнює швидкості світла. На основі цього Дж. Максвелл створив електромагнітну теорію світла, згідно з якою світло — це електромагнітні хвилі дуже короткої довжини.

· Через 23 роки, 1888 p., німецький фізик Г. Герц експериментально одержав електромагнітні хвилі у вільному просторі.

· Російський фізик О. С. Попов (1859—1906) використав ці хвилі для передачі інформації бездротовим телеграфом.

Сукупність таких змінних електричних і магнітних полів створює електромагнітне поле. Виникнувши в певному місці, змінне електромагнітне поле передається від однієї точки простору до іншої з певною швидкістю. Цей процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі називають електромагнітною хвилею.

Діапазон електромагнітних хвиль надзвичайно широкий і включає радіохвилі, рентгенівське та гамма випромінювання. Оптичний діапазон (видиме світло) займає в шкалі електромагнітних хвиль мізерну ділянку.

Точний опис електромагнітних хвиль і їх розповсюдження дають рівняння Максвелла . Проте якісно цей процес можна пояснити без всякої математики . Візьмемо електрон, що знаходиться у спокої - майже точковий негативний електричний заряд. Навколо себе він створює електростатичне поле, яке впливає на інші заряди. На негативні заряди діє сила відштовхування , на позитивні - сила тяжіння, причому всі ці сили спрямовані строго по радіусах , що йде від нашого електрона . З відстанню вплив електрона на інші заряди слабшає , але ніколи не падає до нуля. Інакше кажучи, у всьому нескінченному просторі навколо себе електрон створює радіальне силове поле (це вірно лише для електрона, який вічно покоїться в одній точці – що є певним наближенням, оскільки нерухомий електрон в природі не існує) .

Припустимо , якась сила (не уточнюємо її природу) несподівано порушила рівноважний стан електрона і змусила його зрушитися трохи вбік. Тепер силові лінії повинні розходитися з нового центру, куди перемістився електрон. Але електричне поле, що оточує заряд, миттєво перебудуватися не може. На достатньо великій відстані силові лінії ще довго будуть вказувати на початкове місце розташування заряду. Так буде доти, поки не підійде сигнал перебудови електричного поля, який поширюється зі швидкістю світла. Це і є електромагнітна хвиля, а її швидкість є фундаментальне властивість простору в нашому Всесвіті . Звичайно, цей опис вкрай спрощений, а дещо в ньому навіть просто невірно, але воно дає перше враження про те , як поширюються електромагнітні хвилі.

Невірно ж у цьому описі ось що.

Поширення у нас є, а от коливань немає . Але цей недолік дуже легко поправити . Змусимо ту ж силу, яка вивела електрон з первинного положення, відразу ж повернути його на місце. Тоді за першою перебудовою радіального електричного поля відразу піде друга, що відновлює початковий розподіл ліній електричного поля. Нехай тепер електрон періодично повторює цей рух, і тоді по радіальних силовим лініям електричного поля в усі сторони побіжать справжні хвилі. Ця картина вже багато краще першої. Втім , вона теж не цілком вірна - хвилі виходять чисто електричними, а не електромагнітними.

Тут саме час згадати про закон електромагнітної індукції: змінне електричне поле породжує змінне магнітне, а змінюється магнітне – виникає електричне. Ці два поля як би зчеплені один з одним. Як тільки ми створюємо хвилеподібну зміну електричного поля, так відразу ж до нього додається і магнітна хвиля . Розділити цю пару хвиль неможливо - це єдине електромагнітне явище .

Напрям векторів напруженості електричного і магнітного полів, а також напрям поширення електромагнітних хвиль взаємно перпендикулярні. Отже, електромагнітні хвилі – поперечні. На рис. 4.1 схематично зображено плоску електромагнітну хвилю. В цьому разі вектор напруженості електричного поля Ε коливається у вертикальній площині zOx, а вектор напруженості магнітного поля Η в горизонтальній площині yОх.

Рис. 4.1

Аналізуючи закон електромагнітної індукції М. Фарадея, Дж. Максвелл висунув гіпотезу, що змінне в часі магнітне поле породжує вихрове електричне, тобто силові лінії електричного поля замкнені й охоплюють силові лінії магнітного поля. Щоб формально узгодити свою теорію із законом збереження заряду, Дж. Максвеллу довелось припустити, що не тільки змінне в часі магнітне поле породжує вихрове електричне, а й навпаки: змінне в часі електричне поле породжує вихрове магнітне поле.

Точний запис сформульованого закону містить додаткове припущення про так званий струм зміщення І_з, який Дж. Максвелл визначив як (локальну) похідну по часу від вектора електричної індукції D

Цю гіпотезу покладено в основу одного з рівнянь Максвелла, що цілком узгоджується з експериментом.