Всесвіт – це океан електромагнітних випромінювань. Люди живуть в ньому, здебільшого не помічаючи хвиль, які пронизують навколишній простір. Гріючись біля каміну або запалюючи свічку, людина змушує працювати джерело цих хвиль, не замислюючись про їх властивості. Але знання – сила: відкривши природу електромагнітного випромінювання, людство протягом XX сторіччя освоїло і поставило собі на службу найрізноманітніші його види.
Загадкові збіги
Про існування електромагнітних хвиль першим оголосив шотландський фізик Джеймс Кларк Максвелл. Він ввів всього одну поправку у відкриті до нього закони електромагнетизму. Було відомо, що електричне поле збуджують або електричні заряди, або змінне магнітне поле. Останнє має єдине джерело – електричний струм. Цю «несправедливість» Максвелл усунув за допомогою додаткової складової: магнітне поле виникає також і при зміні електричного поля (подібну зміну він назвав струмом зсуву). Маленька на перший погляд поправка мала грандіозні наслідки: з'явився абсолютно новий фізичний об'єкт – електромагнітна хвиля! Правда, її існування здавалося можливим ще Фарадею, який, однак, не міг довести це теоретично. Максвелл же віртуозно володів вищою математикою.
Максвелл пішов далі і розрахував швидкість електромагнітних хвиль – адже для цього потрібно знати тільки електричну та магнітну проникності. У 1868 році він отримав v ~ 2,779 • 108 м/с, що близько до швидкості світла, виміряної в 1862 році французом Жаном Бернаром Леоном Фуко: с = 2,980 • 108 м/с. Причому хвилі виявилися поперечними, як і світло. Чи випадкові такі збіги? Максвелл відповідав: світло – одна з електромагнітних хвиль.
Невдале спростування
Вирішальним у визнанні правильності (чи неправильності) будь-якої теорії є експеримент. У 1886 році Генріх Рудольф Герц почав експерименти, які повинні були або підтвердити, або спростувати теорію Максвелла. Варто відмітити, що Герц скептично ставився до неї, як і більшість фізиків того часу: струми зміщення залишалися тільки припущенням. Але вже в 1889 році Герц опублікував статтю «Сили електричних коливань, що розглядаються відповідно до теорії Максвелла», в якій писав: «Результати проведених мною дослідів з швидкими електричними коливаннями свідчать, на мою думку, про перевагу теорії Максвелла перед іншими теоріями електродинаміки». Які ж експерименти настільки швидко і настільки радикально змінили точку зору дослідника?
Герц вивчав іскрові розряди, що виникають в індукційній котушці Румкорфа (трансформаторі, що дозволяє отримувати імпульси високої напруги). Коливальний характер таких розрядів встановив американець Джозеф Генрі в 1842 році. Герцу було відомо, іскра, яка виникає в розряднику котушки, здатна одночасно збуджувати іскру і в паралельно підключеному коливальному контурі (резонаторі). Вчений спробував викликати іскровий розряд в контурі, що не підключений до ланцюга, і виявив: іскра максимальна при налаштуванні його в резонанс з коливаннями струму в котушці. Наступні виміри показали, що картина електричного поля, що виникає при розряді, не схожа на прогнозовану старою теорією: в різних напрямках воно зменшувалося по-різному. Ці експерименти, проведені в 1888 році, і вважаються офіційним відкриттям електромагнітних хвиль.
Подальші дослідження змусили Герца зробити два дуже важливих висновки: по-перше, припущення Максвелла про струми зміщення правильне, по-друге, електромагнітні хвилі повністю тотожні оптичним (світловим). Вони відбиваються і заломлюються, інтерферуються і поляризуються...
Що таке електромагнітна хвиля?
Найпростіша електромагнітна хвиля, яка є рішенням хвильового рівняння – плоска. Коливання електричної напруженості в ній відбуваються за законом
Е(x, y, z, t) = Eocos[ωt – (k • r)],
де Ео – амплітуда хвилі; ω = 2πv – кругова частота коливань; r – радіус-вектор точки спостереження; k – хвильовий вектор, що дорівнює 2π/λ; λ – довжина хвилі.
Така хвиля називається плоскою, оскільки значення електричної напруженості і магнітної індукції однакові на будь-якій площині, перпендикулярній вектору k. На цій площині – хвильовому фронті, лежать точки з однаковими фазами коливань обох полів. Бувають хвилі і з іншими видами фронту, наприклад сферичним (хвиля розбігається з якоїсь точки простору). Електромагнітні хвилі можуть поширюватися як у вакуумі, так і в речовині. Причому вони переносять не речовину, а енергію. За теорією Максвелла, густини електричної та магнітної енергій у хвилі рівні.
Як поширюється електромагнітне поле, неважко зрозуміти із законів електродинаміки. Якщо в якійсь ділянці простору зміниться магнітне поле, то навколо неї відразу виникне електричне поле (завдяки електромагнітній індукції). Зміна електричного поля (а виникнення – теж зміна) призведе до появи навколо нього магнітного поля, і так обидва поля разом, один за одним, будуть переміщатися в просторі.
Отже, для отримання хвилі необхідне початкове збурення якогось із полів, чого можна досягти, переміщаючи заряд. Достатньо навіть одного заряду, що коливається біля положення рівноваги або рухається довкола, і поле, створене ним навколо себе, періодично змінюється – народжується електромагнітна хвиля.
«Загальмована» хвиля
В речовині хвиля поширюється з меншою швидкістю, ніж у вакуумі. Цей факт добре відомий, особливо для світла, і не здається дивним. Але спробуємо знайти відповідь, чому ж так відбувається?
Тут допомагає ідея про накладення, або суперпозицію, хвиль: рухаючись у речовині хвиля «розгойдує» її атоми , які перетворюються на диполі. Поле, що спостерігається в речовині, спочатку є сумою поля падаючої хвилі і полів збуджених нею диполів – коливаючись, вони самі випромінюють дрібні хвилі. Оскільки диполів багато, їх поля в результаті повністю заміщають вихідне поле. Чим щільніша речовина, тим більше вторинних хвиль, тим сильніше їх джерела впливають один на одного. Виходить цікава картина: атоми-диполі розгойдуються не тільки падаючою хвилею, а й побратимами (причому ті, до яких хвиля доходить пізніше, «збивають» коливання попередників). Тому коливання в речовині поширюються повільніше, ніж первісна, падаюча хвиля. Точний опис цього колективного процесу дати складно: повне поле, що діє на даний заряд, не що інше, як сукупність полів від всіх інших зарядів, а їх рух, в свою чергу, залежить від руху даного заряду.
Читайте також:
- Бактерії, антибіотики і електромагнітні хвилі
- Принцип Гюйгенса
- Квантова медицина - лікування за допомогою електромагнітних хвиль
- Структура електромагнітних полів у речовині виявилася складнішою
- Сонячна радіація
