6.5. Электромагнитные поля и волны

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого – электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы мышц человека и животных и т.д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет – одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложением Максвелла - идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

В 60-х годах 19 в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Эта была первая теория поля, успешно объяснившая многие электромагнитные явления. Максвелл высказал гипотезу, что, во-первых, электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем (согласно закону Фарадея), как и само магнитное поле, является вихревым, и, во-вторых, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать в окружающем пространстве появление вихревого магнитного поля.

Таким образом, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, что также является важным её следствием, но и предсказала новые явления. Так было предсказано существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные волны имеют много общего с механическими и акустическими волнами. И те, и другие представляют собой распространение колебаний в пространстве; характеризуются одними и теми же параметрами: длинной волны – λ, частотой ν и циклической частотой ω, периодом Т, амплитудой А, Е₀, Н₀, волновым числом k=2π/λ и др. Уравнения этих волн так же аналогичны. Распространение электромагнитных волн описывается аналогичными уравнениями механических волн (см.п.5.3):

,

где и- напряженности (и их амплитуды) электрического и магнитного полей.

Но между ними существуют и различия. Если механические и акустические волны способны распространяться только в упругой среде (твердые тела, жидкости, газы), то электромагнитные волны могут перемещаться и в вакууме. Механические волны могут быть и поперечными и продольными, электромагнитные волны – только поперечными. Волны в упругих средах не могут, как электромагнитные волны распространяться со скоростью света.

Длина электромагнитной волны в вакууме .