Из закона Фарадея следует, что любое изменение потока магнитной индукции приводит к возникновению ЭДС индукции и индукционнго тока (при наличии замкнутого контура). Выходит, что сторонние силы действуют на неподвижные заряды (значит, это не сила Лоренца) и заставляют их начать движение.

Максвелл высказал гипотезу, что переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь является причиной возникновения электрического тока. Таким образом, наличие проводящего контура является всего лишь индикатором, обнаруживающим переменное электрическое поле. Такое электрическое поле называется вихревым.

    

Свойства	Вихревое электрическое поле	Электростатическое поле
Источники поля	Переменное магнитное поле	Неподвижные заряды
Силовые линии	Замкнуты	Начинаются на положительных зарядах, заканчиваются на отрицательных
Потенциальность	Непотенциально - работа поля по замкнутому контуру равна ЭДС индукции	Потенциально - работа поля по замкнутому контуру равна нулю

 

Электромагнитное поле - совокупность порождающих друг друга электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:

• проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;
• распространяется с большой, но конечной скоростью;
• существует независимо от нашей воли и желаний.

 

При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.

При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, кото­рая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные волны — это такие электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, которая зависит от свойства среды. Иными словами можно сказать, что электромагнитной волной называют распространяющееся в пространстве электромагнитное поле или электромагнитное возмущение.

Свойства электромагнитных волн

1. Электромагнитные волны поперечны – векторы E и B перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

 

В вакууме

Величина, показывающая, во сколько раз скорость электромагнитной волны в веществе меньше скорости в вакууме, называется абсолютным показателем преломления среды

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно. Поэтому равны объемные плотности энергии

Следовательно, модуль вектора индукции магнитного поля и модуль напряженности электрического поля связаны соотношением

 

4. Электромагнитные волны переносят энергию

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Для создания электромагнитной волны необходимо создать в пространстве систему быстро меняющихся электрических и магнитных полей. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля (и наоборот). Колебания достаточно высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Для того, чтобы частота была больше, необходимо уменьшить индуктивность и емкость контура:

Таким условиям отвечает открытый колебательный контур: 

• Для уменьшения емкости С необходимо увеличить расстояние между пластинами и уменьшить площадь пластин. Самая маленькая емкость - это простой провод.
• Для того чтобы снизить индуктивность L необходимо уменьшить количество витков в катушке. В результате выходит обычный провод, который получил название открытого колебательного контура.

 

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал устройство, называемое сейчас вибратор Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Схема опыта Герца

Первоначально вибратор представлял собой два соосных медных стержня диаметром 5 мм и длиной по 1,3 м; на концах стержней были насажены по одному латунному маленькому (диаметром 3 см) шарику и по одной большой цинковой сфере или полусфере (диаметром 30 см) либо квадратной пластине. Между маленькими шариками оставался искровой промежуток в 7... 7,5 мм. К медным стержням вблизи маленьких шариков были прикреплены обмотки катушки Румкорфа - преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения.

При импульсах постоянного тока, вследствие действия прерывателя, в гальванической цепи вторичной обмотки катушки между шариками проскакивали искры и в окружающую среду излучались электромагнитные волны. Перемещением больших сфер (или пластин) вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие частоты колебаний (и соответственно длины волн) согласно формуле Томсона.

Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц сделал простой резонатор, представляющий собой проволочное незамкнутое кольцо диаметром 70 см или прямоугольную незамкнутую рамку 125х80 см, также с латунными шариками на концах и также с малым искровым регулируемым промежутком.

Вибратор и резонатор Герца поражают своей остроумной простотой и высокой эффективностью. Изменяя размеры и положение резонатора, ученый настраивал его на частоту колебаний вибратора. В разряднике резонатора проскакивали маленькие искры в те самые моменты, когда происходили разряды между шариками вибратора. Интенсивность искрообразования была очень мала и наблюдения приходилось вести в темноте.

Экспериментальное подтверждение свойств электромагнитных волн

Поглощение волн

Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.

Отражение волн

При расположении цинкового экрана в точке пересечения оптических осей, когда перпендикуляр к его поверхности совпадал с биссектрисой угла, возникало искрообразование. Аналогичные результаты получались при замене сплошного экрана проволочной решеткой. Опыты показали, что отражение электромагнитных волн происходит по тем же законам, что и отражение света, как это и следует из теории Максвелла.

  

Преломление волн

Для изучения вопроса о преломлении электромагнитных волн Герц изготовил асфальтовую призму высотой 1,5 м весом в 1,2 т с поперечным сечением в виде равнобедренного треугольника со сторонами 1,2 м. Призма образовывала преломляющий угол 30°. Помещение призмы между зеркалами, стоящими одно против другого, вызывало полное прекращение искры в резонаторе. Искрообразование восстанавливалось при перемещении приемного зеркала на угол 22° по направлению к основанию призмы. Вычисленный коэффициент преломления асфальта 1,69 был близок к истинному значению.

 

Поперечность электромагнитных волн

Колебания напряженности электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определенной плоскости, а колебания вектора магнитной индукции  - поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических проволочек. Решетку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошному металлическому листу. Когда же E перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

Интерференция электромагнитных волн

На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приемник располагают друг против друга. Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечетному числу полуволн. Можно наблюдать также дифракцию электромагнитных волн.