Изучение свойств и характеристик электромагнитных волн
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.
Генрих Рудольф Герц изучал искровые разряды, возникающие в индукционной катушке Румкорфа, трансформаторе, позволяющем получать импульсы высокого напряжения. Колебательный характер таких разрядов установил американец Джозеф Генри в 1842 году.
Герцу было известно, что возникшая в разряднике катушки искра способна одновременно возбудить искру и в параллельно подключенном колебательном контуре. Ученый попытался вызвать искровой разряд в контуре, не подключенном к цепи, и обнаружил: искра максимальна при настройке его в резонанс с колебаниями тока в катушке.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Последующие измерения показали, что картина электрического поля, возникающего при разряде, объясняется только теорией Джеймса Кларка Максвелла о токах смещения: в разных направлениях оно убывало по-разному. Эти эксперименты, проведенные в 1888 году, и считаются официальным открытием электромагнитных волн.
Причины возникновения, гипотеза Максвелла
Само понятие поля ввел гениальный самоучка, которому мы обязаны многими открытиями, — Майкл Фарадей. Не владея математическим аппаратом, он не мог выразить в виде формул то, что отчетливо видел мысленным взором, — картину распределения в пространстве силовых линий.
В трудах Томаса Юнга и Огюстена Жана Френеля была разработана теория, в соответствии с которой свет — это волнообразное возбуждение эфира. Волновая теория позволила наиболее полно объяснить такие явления, как преломление, интерференция и дифракция света.
Кроме того, Френель строго доказал прямолинейность его распространения в свободном пространстве. Рассматривая открытую Гюйгенсом поляризацию света, он высказал предположение, что световая волна — волна поперечная. Теория электромагнитного поля Максвелла отождествила свет с электромагнитными волнами, которые действительно оказались поперечными.
Джеймс Кларк Максвелл поставил целью создать теорию эфира, связав его механические характеристики с электрическими и магнитными силами. Он ввел всего одну поправку в открытые до него законы электромагнетизма.
Было известно, что электрическое поле возбуждают либо электрические заряды, либо переменное магнитное поле, которое имеет единственный источник — электрический ток. Максвелл предположил, что магнитное поле возникает также и при изменении электрического поля. Подобное изменение он назвал током смещения.
Тщательно изучив труды Фарадея, он пришел к выводу, что напряженность \(\overrightarrow Е\) электрического поля объясняется упругими напряжениями в эфире, а магнитная индукция \(\overrightarrow B\) — его вихревыми движениями.
Также Максвелл предсказал существование электромагнитных волн и их распространение со скоростью света, что позволило ему считать свет одним из видов электромагнитного излучения. Именно он объединил электричество, магнетизм и свет в рамках единой концепции электромагнитного поля. Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе. Причем они переносят не вещество, а энергию.
По теории Максвелла, плотности электрической и магнитной энергий в волне равны. Как распространяется электромагнитное поле, нетрудно понять из законов электродинамики. Если в какой-то области пространства изменится магнитное поле, то вокруг нее сразу возникнет электрическое поле благодаря электромагнитной индукции.
Возникновение или изменение электрического поля приведет к появлению вокруг него магнитного поля, и так оба поля вместе, цепочкой, следуя друг за другом, будут перемещаться в пространстве. Значит, для получения волны необходимо начальное возмущение какого-нибудь из полей, чего можно добиться, перемещая заряд.
Достаточно даже одного заряда, колеблющегося около положения равновесия или движущегося по окружности: поле, создаваемое им вокруг себя, периодически изменяется — и рождается электромагнитная волна.
Используя векторный анализ, Максвелл вывел для электрического поля \(\overrightarrow Е (х, у, z, t)\) уравнение вида
Для магнитного поля уравнение получилось аналогичным, с заменой вектора электрической напряженности на вектор магнитной индукции. Здесь \(\mu_<0>\) и \(\epsilon_<0>\) — магнитная и электрическая постоянные, х, у и z — пространственные координаты, t — время, а каждое слагаемое — вторая производная напряженности по координате или времени.
Магнитная постоянная — скалярная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности в выражениях некоторых законов электромагнетизма, связывающих вектор напряженности магнитного поля \(\overrightarrow H\) и вектор магнитной индукции \(\overrightarrow B\) .
Электрическая постоянная — скалярная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности в выражениях некоторых законов электромагнетизма, связывающих магнитную постоянную \(\mu_<0>\) и скорость света с.
Еще в 40-х годах XVIII века Д. Бернулли, Ж. Д'Аламбер и Л. Эйлер получили решение подобного уравнения, описывающего колебание струны в виде двух перемещающихся в пространстве волн произвольной формы, которые движутся в противоположных направлениях со скоростью v. Таким образом, из уравнений Максвелла следовала возможность существования волн электромагнитной природы.
Фарадей и Максвелл рассматривали поле как механические напряжения в универсальной упругой среде — эфире. С открытием новых экспериментальных фактов эфир приходилось наделять самыми противоречивыми свойствами: он должен был вести себя при быстрых колебаниях, как твердое тело, и в то же время не сопротивляться движению планет. Эфир считали то жидкостью, то смолой, но всегда объявляли ненаблюдаемым.
Полностью механизм электромагнитных процессов стал понятен лишь с возникновением квантовой электродинамики — теории, объясняющей эти процессы на уровне микромира. За ее разработку японский физик-теоретик Синъитиро Томонага, а также американские ученые Юлиан Сеймур Швингер и Ричард Филлипс Фейнман в 1965 году были награждены Нобелевской премией.
Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля — фотоны. Это не имеющие массы частицы, которые движутся со скоростью света с. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами.
Виды электромагнитных волн
Электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Частота меняется обратно пропорционально длине.
При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение длиной менее \(2 \times 10^<-10>\) м. Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле
где h — постоянная Планка.
Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: \(0,005–100 нм, 2\times10^ <15>— 6\times10^ <19>Гц.\)
Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучениями. Это природное излучение Солнца, которое занимает диапазон от 400 до 100 нм.
Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Инфракрасные волны, к которым относится тепловое излучение Солнца, занимают диапазон от 2000 до 0,75 мкм.
Ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение составляют оптическую область спектра. Она объединяет эти три отдельные категории по той причине, что исторически предметом исследования ученых-оптиков был главным образом видимый свет, но при этом приборы для его изучения используют и при исследовании близких по диапазону излучений.
Терагерцевые, или субмиллиметровые волны, которые иногда выделяют в отдельную категорию, занимают диапазон от 1 до 0,1 мм.
Радиоволны относятся к длинным и низкочастотным электромагнитным волнам — от 0,1 мм или до 3 ТГц.
Свойства и характеристики электромагнитных волн
Период колебания волны
Период колебания Т — тот минимум времени, за который волна совершает одно колебание.
Колебание — процесс изменения состояний системы около точки равновесия, повторяющийся во времени. В случае электромагнитных волн сопровождается переносом энергии.
Период обратно пропорционален частоте, а также связан с длиной волны и скоростью:
Длина волны
Длина волны \(\lambda\) — расстояние, которое она проходит за одно колебание. Если точки находятся на расстоянии \(\lambda\) друг от друга, их смещения из положений равновесия будут одинаковы, и колебания в них будут происходить в одинаковой фазе.
v здесь — фазовая скорость волны, Т — период колебаний, f — частота, \(\omega\) — круговая частота.
Длина стоячей волны — это расстояние между двумя пучностями или двумя узлами, которое можно рассчитать с помощью формулы:
Длина стоячей волны равна половине длины соответствующей бегущей волны, так как возникает при наложении двух волн, падающей и ее отражения, и сумма их амплитуд равна нулю.
Скорость распространения волны
Максвелл рассчитал скорость электромагнитных волн — ведь для этого нужно знать только электрическую и магнитную проницаемости. Скорость распространения излучения, она же скорость света, равна \(3\;\times\;10^8\;\) мс. Точное значение — 299 792 458 м/с.
Частота колебаний электромагнитного поля
Частота колебаний \(\nu\) — число полных циклов колебаний в секунду. Частоты электромагнитных волн изменяются в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду до \(10^<27>\) .
Поляризация радиоволн
Явление направленного колебания векторов напряженности в электромагнитной волне называется поляризацией. Возникает только в поперечных волнах. Электромагнитные волны почти всегда обладают свойствами поперечных волн, поскольку вектора напряженности в них колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольными электромагнитные волны бывают только в сильно диспергирующих средах.
Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Если направление вектора \(\overrightarrow Е\) неизменно, волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой он колеблется, — направлением поляризации.
Плоскость, в которой кроме вектора \(\overrightarrow Е\) лежит еще вектор скорости волны, называется плоскостью поляризации. Если же направление вектора \(\overrightarrow Е\) изменяется, и он вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация круговая.
В данном случае проекции вектора \(\overrightarrow Е\) на две взаимно перпендикулярные оси — самостоятельные гармонические волны: одна из них отстает от другой на четверть длины волны. Можно сказать, что круговая поляризация — результат сложения двух линейно поляризованных волн.
Если же складываются две волны круговой поляризации, у которых векторы \(\overrightarrow Е\) вращаются в противоположных направлениях, получается линейно поляризованная волна. В самом общем случае вектор \(\overrightarrow Е\) при вращении периодически изменяет свою длину.
Такая поляризация называется эллиптической, круговая и линейная поляризация — ее частные случаи. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.
Чтобы описать поляризацию волны, компоненты вектора напряженности выражают с помощью параметров Стокса, интерпретируя их, как координаты точек, расположенных на сфере, называемой сферой Пуанкаре.
Напряженность магнитного поля в электромагнитной волне
Напряженность поля — векторная величина, которая характеризует поле в конкретной точке.
Движущиеся заряды создают вокруг себя еще и магнитное поле. Однако действующая в нем на магнит или другой ток сила отличается от электрической силы направлением — магнитная стрелка старается развернуться перпендикулярно проводу.
Чтобы вычислить напряженность магнитного поля \(\overrightarrow Н\) , связанную с вектором магнитной индукции \(\overrightarrow В\) , в общем случае нужно воспользоваться уравнением Максвелла для магнитного поля.
Отличие электромагнитных волн от звуковых волн
Акустическими (или волнами звука) называют упругие волны, которые распространяются в пространстве определенного частотного диапазона: ��=16 – 20 000 Гц. Волны этого частотного диапазона способны оказывать действие на слуховой аппарат человека и вызывать у него ощущение звука.
Звуковые волны относят к механическим колебаниям с малыми амплитудами (это слабые возмущения).
Волны с частотами менее 16 Гц называют инфразвуковыми, при ��>20000Гц волны являются ультразвуковыми. Инфразвук и ультразвук человек не слышит.
Звуковые волны в газообразных и жидких веществах могут быть только продольными, поскольку эти вещества имеют свойство упругости только в отношении деформации сжатия и растяжения. В твердом теле акустические волны могут быть и продольными, и поперечными, так как твердое тело может быть подвержено еще и деформации сдвига.
Чувствительность уха человека разная для разных частот. Для создания у человека ощущения звука акустическая волна должна иметь некоторую минимальную интенсивность. В случае превышения определенного предела интенсивности человек звук не слышит, волна может вызывать только болевые ощущения.
Скорость распространения акустических волн в газовых средах может быть найдена в соответствии с выражением:
- $R$ – газовая постоянная;
- $\mu<>$ – молярная масса газа;
- $\gamma<>=\frac
$.
Формула (1) говорит нам о том, что скорость звука в газовых средах не зависит от давления, но увеличивается с ростом температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше скорость распространения волн звука.
Рассматривая распространение акустических волн в атмосфере, следует принимать во внимание множество параметров:
- скорость и направление ветра;
- влажность;
- состав воздуха;
- явления преломления и отражения звука на границах раздела сред;
- вязкость газа, в котором распространяется звуковая волна.
Уравнение механических волн
Акустические волны, как и любые другие упругие волны, появляются из-за наличия связей, которые имеются между частицами вещества, в котором они распространяются. При этом отклонение (перемещение) одной частицы от положения равновесия ведет к смещению соседствующих с ней других частиц. Данный процесс происходит в пространстве с некоторой ограниченной скоростью.
Уравнение волны отображает функциональную связь между смещением частицы, совершающей колебания, и ее координатой в равновесии и временем.
Рассмотрим звуковую волну, которая распространяется по оси $X$ без затухания. Тогда мы должны получить функцию:
Если в волне нет затухания, то амплитуды всех точек одинаковы. Пусть источник волны совершает колебания по закону:
где $s_m$ – амплитуда колебаний.
Колебания точки с координатой $x$ в этой волне будет описывать уравнение:
где $v$ — скорость распространения волны. Выражение (2) – уравнение плоской звуковой волны.
Волновое уравнение для звуковой волны в одномерном случае:
Выражение (2) является одним из решений волнового уравнения (3). Если изменение физического параметра отвечает уравнению (3), то эта величина распространяется как волна со скоростью $v$.
Электромагнитные волны
Переменное электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле и наоборот, это ведет к распространению единого электромагнитного поля в пространстве, которое называют электромагнитной волной.
Электромагнитной волной называют изменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве.
Электромагнитные волны описывают при помощи уравнений для векторов напряженности электрического и магнитного полей.
Допустим, что мы имеем дело с плоской электромагнитной волной, распространяющейся по оси $X$, тогда волновые уравнение можно записать в виде:
Решением уравнения (4.1) служит функция (5),
Решением уравнения (4.2) служит (6).
Из волнового уравнения (4) можно сделать вывод о том, что электромагнитная волна в веществе распространяется со скоростью, равной:
Выражение (7) показывает нам, что скорость движения электромагнитной волны зависит только от вида вещества, в котором волна перемещается и не зависит от состояния этого вещества (давления, температуры и т.д.).
Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Колебания векторов $E ⃗,H ⃗$ происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Мало того, три вектора, $E ⃗,H ⃗,v ⃗$ образуют правовинтовую систему, что означает: Если смотреть из конца вектора скорости на вращение, по кратчайшему расстоянию, от вектора напряженности электрического поля к вектору напряженности магнитного поля, то это вращение будет происходить против часовой стрелки.
Какие отличительные свойства имеет электромагнитная волна в отличие от других видов волн
Видео: Урок №45. Электромагнитные волны. Радиоволны.
Содержание
Основное отличие — звуковые волны от электромагнитных волн
В современном мире существует множество научных и технологических применений различных видов волн. В большинстве таких приложений используются звуковые или электромагнитные волны. Звуковые волны — это механические волны, тогда как электромагнитные волны не являются механическими волнами. Следовательно, звуковые волны требуют среды для своего распространения, тогда как электромагнитные волны не требуют среды. Это главное отличие между звуковыми волнами и электромагнитными волнами. Есть много других различий между этими двумя. Эта статья пытается объяснить их подробно.
Что такое звуковая волна
Звуковые волны — это механические волны, создаваемые механическими колебаниями. Например, когда ваш телефон звонит, он вибрирует вокруг, создавая сжатие и разрежение в воздухе. Эти сжатия и разрежения распространяются по воздуху. Когда они достигают нашей барабанной перепонки, они вызывают вибрацию барабанной перепонки; это то, что мы воспринимаем как звук. Они требуют материальной среды для распространения, поскольку они являются механическими волнами. Поэтому звуковые волны не могут проходить через вакуум.
Звуковые волны распространяются через воздух, жидкости и плазму в виде продольных волн. В твердых телах, с другой стороны, звуковые волны могут распространяться как в виде продольных, так и поперечных волн. В любом случае скорость звука зависит от свойств материала. В воздухе скорость света увеличивается с температурой.
Для нашего удобства звуковые волны подразделяются на три полосы, как показано ниже.
Инфразвук — Частоты ниже 20 Гц
Звуковой звук. Частоты от 20 Гц до 20000 Гц
Ультразвук — Частоты выше 20000 Гц
Продольные звуковые волны не могут быть поляризованы, так как только поперечные волны могут быть поляризованы.
Кроме того, звуковые волны в основном характеризуются своей высотой, громкостью и качеством.
Что такое электромагнитная волна
Электромагнитные волны создаются ускорением или замедлением заряженных частиц. Это поперечные волны. В результате электромагнитные волны поляризуются. Электромагнитные волны в отличие от любых других типов волн содержат магнитное поле, а также электрическое поле, колеблющееся перпендикулярно друг другу и перпендикулярно направлению распространения волны. Эти волны несут энергию в направлении распространения волны. Они могут распространяться через вакуум, поскольку они не являются механическими волнами. Они могут распространяться через воздух, жидкости или твердые вещества. Во всяком случае, электромагнитные волны затухают, когда они проходят через материальную среду. Степень затухания зависит от свойств материала среды, через которую распространяются электромагнитные волны. В вакууме электромагнитные волны распространяются с 3 × 10 8 Миз -1 , В любой материальной среде скорость волн и их длина волны уменьшаются.
Частоты электромагнитных волн имеют чрезвычайно широкий диапазон. Свойства волн зависят от частоты, амплитуды и т. Д. Поэтому для нашего удобства электромагнитные волны группируются в несколько полос, а именно: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, свет, УФ, рентгеновские лучи и γ-лучи. В целом весь диапазон называется электромагнитным спектром.
Разница между звуковыми волнами и электромагнитными волнами
формирование
Звуковые волны: Звуковые волны создаются механическими колебаниями.
ЭМ волны: ЭМ волны создаются ускорением (или замедлением) заряженных частиц.
источники
Звуковые волны: Звуковые волны создаются музыкальными инструментами, динамиками, камертонами и т. Д.
ЭМ волны: ЭМ волны создаются в токоведущих проводах, излучение черного тела.
Скорость в вакууме
Звуковые волны: Звук не может распространяться через вакуум.
ЭМ волны: ЭМ волны распространяются со скоростью мс -1 .
Скорость в воздухе
Звуковые волны: Скорость звука в воздухе увеличивается с температурой.
ЭМ волны: Скорость электромагнитных волн в воздухе немного медленнее, чем в вакууме.
поляризация
Звуковые волны: Продольные звуковые волны не поляризуются.
ЭМ волны: ЭМ волны поляризуемы.
Атомное возбуждение
Звуковые волны: Звуковые волны не могут возбуждать атомы.
ЭМ волны: ЭМ волны могут возбуждать атомы.
Ощущение произвело
Звуковые волны: Звуковые волны производят слух.
ЭМ волны: ЭМ волны производят зрение.
Приложения
Звуковые волны: Существует множество применений, включая музыкальные инструменты, ультразвуковое сканирование, ультразвуковую очистку, гидролокаторы, при разведке полезных ископаемых, при разведке нефти, в бытовой электронике и для слуха.
ЭМ волны:Есть сотни приложений. В общем, эти приложения перечислены под соответствующими полосами электромагнитного спектра, потому что большинство приложений зависит от частоты электромагнитных волн.
Радиоволны-Радиовещание и др.
Микроволновые печи — микроволновая печь, телевизор, мобильные телефоны и т. Д.
Инфракрасные пульты дистанционного управления.
Видимое световое зрение, фотосинтез,
Рентген — диагностическая рентгенография в медицине, рентгеновская кристаллография.
γ-лучи-лучевая терапия, для стерилизации медицинского оборудования.
«Электромагнитные волны» П. Вормера — собственная работа,
Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн»
«Без естественных наук нет спасения
современному человеку, без этой здоровой пищи,
без этого строгого воспитания мысли фактами,
без этой близости к окружающей нас жизни»
Данная тема посвящена изучению электромагнитных волн и их свойств.
Для успешного усвоения данного материала, необходимо вспомнить некоторые определения и понятия, пройденные в курсе физики 9 класса.
Механическая волна — это распространение колебаний частиц вещества в пространстве. В физике различают продольные и поперечные волны. Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны; а поперечной называется волна, когда частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Какие величины характеризуют волну? Это длина волны, скорость ее распространения, период и частота колебаний.
Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. При этом длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется фронт волны за время, равное периоду колебаний источника волн.
Механические волны не могут распространяться в вакууме, т.е. для их существования необходимо наличие упругой среды: газа, жидкости или твердого тела.
В отличии от них, существуют волны и не нуждаются в наличии какого-либо вещества. То есть, они могут существовать и в вакууме. Такие волны называются электромагнитными волнами.
Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.
В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (т.е. электрическим током), либо переменными электрическими полями.
Получается замкнутый круг: поля могут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме, и этот процесс может повторяться до бесконечности.
Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.
Из теории электромагнитного поля Максвелла вытекает, что по своей природе электромагнитное поле не может быть локализовано в месте зарождения, а распространяется в пространстве. При этом данный процесс распространяется в пространстве по всем направлениям.
Так вот, распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.
В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, иными словами, какие физические величины периодически меняются в ней?
Известно, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции,а количественной характеристикой электрического поля служит его напряженность. Поэтому, когда говорится о том, что магнитное и электрическое поля меняются, то понимается, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряженности электрического поля.
Теперь давайте посмотрим, какими свойствами обладает электромагнитная волна.
Первое самое важное свойство, электромагнитных волн непосредственно вытекает из открытых Максвеллом законов электромагнетизма — это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн. Т.е. если в какой-либо малой области пространства будет периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения будут повторяться и в других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей.
Максвелл чисто математически показал, что скорость такого распространения в вакууме зависит только от диэлектрической и магнитной постоянных, т.е. равна скорости света.
А в среде эта скорость меньше и зависит как от диэлектрической, так и от магнитной проницаемостей среды.
Вот что по этому поводу писал сам Максвелл в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».
Под периодическими изменениями электрического и магнитного полей понимают колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Так вот, оказывается, что колебания этих векторов происходят перпендикулярно вектору скорости распространения электромагнитной волны. Отсюда, мы можем сделать вывод о том, что электромагнитная волна — это поперечная волна. Это и есть второе свойство электромагнитной волны.
Третье свойство непосредственно вытекает из второго. Так как электромагнитная волна является поперечной, то колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
Помимо выше сказанного, вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля образуют с вектором скорости распространения, так называемую, правовинтовую систему. Т.е. если расположить головку правого винта в плоскости векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля и будем ее поворачивать по кратчайшему пути в направлении от вектора 
к вектору 
, то поступательное движение острия винта укажет нам направление вектора скорости в данный момент времени. Это есть четвертое свойство электромагнитной волны.
Пятое свойство говорит о том, что период электромагнитной волны равен периоду колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн. Т.е. справедливы соотношения:
Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны — это шестое свойство.
Энергию электромагнитной волны можно рассчитать по формуле
где V —объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.
При этом переносимая электромагнитной волной энергия пропорциональна четвертой степени частоты. В связи с этим, источником интенсивных электромагнитных волн, т.е. волн, способных переносить энергию на большие расстояния, должны быть электромагнитные колебания с частотой порядка 10 6 Гц. Однако никакие современные генераторы не могут создать переменный ток такой частоты, так как в этом случае якорь генератора должен совершать миллион оборотов в секунду. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур, циклическая частота колебаний которого, согласно формуле, будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.
Седьмое свойство говорит о том, что электромагнитные волны в однородной среде распространяются прямолинейно, при переходе из одной среды в другую испытывают преломление и отражаются от преград.
В свое время все эти работы Максвелла вызвали шок среди ученых. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».
К сожалению, Максвелл не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который только через 20 лет в серии своих экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.
Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения способом резонанса. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур, который можно получить из закрытого путем раздвижения пластин конденсатора и уменьшением их площади до тех пор, пока не получится просто прямой провод.
В таком открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределяются по всему проводнику, при этом ток в данный момент времени во всех сечениях проводника будет направлен в одну и ту же сторону. Однако сила тока в различных сечениях проводника неодинакова — на концах она равна нулю, а в центре — максимальная.
Для возбуждения колебаний в таком открытом контуре, во времена Герца, поступали следующим образом: провод разрезали посредине так, чтобы оставался небольшой промежуток. При подаче от индукционной катушки высокого напряжения в промежутке проскакивала искра, которая и закорачивала его. За время горения искры, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (его еще называют резонатор) также состоял из проволоки с искровым промежутком. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.
В результате проделанных Герцем опытов были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Однако сам Герц считал, что полученные им электромагнитные волны невозможно использовать в больших масштабах и тем более передавать с их помощью какую-либо информацию.
Таким образом, Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны. Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, все должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были "Генрих Герц", зашифрованные азбукой Морзе.
Любопытно, но за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Хьюз также продемонстрировал перед крупными учеными эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. Однако, в результате многочисленных обсуждений, ученые решили, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Хьюз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца уже стала общепринятой.
На данный момент известно, что буквально всё пространство вокруг нас пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов.
Границы этих диапазонов весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.
Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.
В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:
– плавка и закалка металлов, изготовление постоянных магнитов;
– телевидение и радиосвязь;
– мобильная связь и радиолокация;
– сварка, резка и плавка металлов лазерами, приборы ночного видения;
– освещение и голография;
– люминесценция в газоразрядных лампах и закаливание живых организмов;
– дефектоскопия и исследование внутренней структуры атомов;
– и многое-многое другое.
Основные выводы:
– Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.
– Электромагнитные взаимодействия в природе не происходят мгновенно – они распространяются с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.
– Для излучения электромагнитных волн необходимо иметь открытый колебательный контур, в котором будут генерироваться электромагнитные колебания высокой частоты.