Как происходит распространение электромагнитных волн?

Любая механическая волна требует существования упругой среды, в которой она распространяется. Волна даже определяется как перемещающаяся деформация среды.

Акустическая волна, представляющая собой перемещающееся сгущение и разрежение молекул среды (воздуха, жидкости или твердого тела), не может распространяться в вакууме. Именно поэтому в космосе не слышно ни одного звука, даже взрыва сверхновой. В космосе царит тишина.

А как насчет света? Конечно, свет распространяется в вакууме. Он достигает нас из очень далеких галактик. Однако из космоса до нас доходит не только свет, но и другие виды электромагнитных волн (радиоволны, инфракрасные, рентгеновские, гамма-лучи и т.д.). Сегодня мы знаем, что электромагнитная волна не требует никакой среды для своего распространения. Механизм его распространения не зависит от деформации упругой среды.

В стеклянной банке находится электрический звонок (см. рисунок 1). По мере выкачивания воздуха из банки звучание становится все тише, пока не становится совсем неслышным, что является экспериментальным доказательством того, что звуковая волна нуждается в среде. Свет, с другой стороны, распространяется как в воздухе, так и в вакууме – изображение звонка не исчезает, когда мы откачиваем воздух.

Стеклянная колба
Рис. 1. В стеклянной колбе находится электрический звонок

Ошибочная теория (гипотеза) эфира

Однако сам создатель концепции электромагнитных волн не представлял себе волны без среды и создал гипотетическую среду – эфир. О недостатках этой гипотезы и о том, как электромагнитная волна “справляется” без среды, вы можете прочитать в этой статье.

Иногда вы можете услышать, как радиожурналист говорит: “программа ушла в эфир” или “в эфир”. Это полный анахронизм и, что еще хуже, это неправда. Не существует такого понятия, как эфир, который является средой, в которой должна распространяться электромагнитная волна. Этот эфир должен обладать невероятными свойствами.

Ну, скорость электромагнитной волны огромна, = 300 000 км/с. В механике доказано, что чем больше скорость волны, тем более упругой (жесткой) является среда и тем легче эта среда. Таким образом, эфир должен быть в тысячи раз эластичнее самой лучшей стали, но в то же время иметь чрезвычайно низкую плотность.

Далее: в упругой среде, в которой распространяются поперечные волны, могут распространяться и продольные волны (обычно с разными скоростями), т.е. акустические волны. Однако эфир должен быть таким, чтобы в нем не могли распространяться продольные волны. Более того, этот эфир должен был бы заполнить всю Вселенную. В частности – область Солнечной системы. Мы не замечаем, что эфир (невероятно жесткий материал) препятствовал бы движению Земли и других планет.

Настоящим гвоздем в крышку гроба для гипотезы эфира стала специальная теория относительности Эйнштейна (1905). И эксперимент Майкельсона-Морли (1887), который был проведен независимо от него и дал отрицательный результат: не был обнаружен “эфирный ветер”, который, если бы эфир существовал и заполнял пространство космоса, дул бы на Землю из-за движения Земли вокруг Солнца.

Это привело бы к различиям в скорости света, измеренной в разных направлениях. Никаких различий в скорости света не было обнаружено (при измерениях, проведенных с большой точностью) в пределах погрешности измерений 5 км/с. Следовательно, эфирный ветер не был обнаружен. Ученым пришлось смириться с этим – эфира просто не существует. Давайте перейдем к более важным вопросам.

Механизм распространения электромагнитных волн

Электромагнитная волна – это распространяющееся возмущение электромагнитного поля.

Но как это представить? Возможно, здесь поможет рисунок 2, на котором показаны линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда, который в какой-то момент был перемещен в новое положение.

Линии электрического поля, исходящие от точечного заряда
Рис. 2. Линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда

Здесь мы видим “старые” линии поля, которые начинаются в исходном положении электрического заряда. Эту позицию можно найти по продолжению линий, выходящих за пределы рисунка. Вы увидите, что электрический заряд был немного “приподнят” от своего нынешнего положения. Линии поля, которые вы видите возле электрического заряда, – это новое электростатическое поле. В результате движения электрического заряда вниз существующее поле было нарушено. Мы можем видеть это в виде преломленных линий поля. Преломленные линии – возмущение поля распространяется через пространство со скоростью света до бесконечности, чтобы “перестроить” электрическое поле в его нынешнюю форму.

Каков механизм распространения этого возмущения? Мы не видим здесь другого компонента электромагнитного поля – магнитного поля. Но оно явно присутствует. Его создание является следствием законов Максвелла. Когда электрический заряд начинает двигаться, электрическое поле начинает изменяться, и это вызывает вокруг него вихревое магнитное поле. Линии магнитного поля образуют расширяющиеся круги с центрами на линии движения электрического заряда. Это магнитное поле также изменяется (ведь оно появилось); а раз так, то оно генерирует вокруг себя вращающееся электрическое поле. И таким образом, взаимно порождая друг друга, оба поля уходят в бесконечность, неся с собой возмущение, или “коррекцию” электрического поля.

Описанная здесь электромагнитная волна называется волновым импульсом. Обратите внимание, что он создается электрическим зарядом, который переместился в новое место – поэтому он должен был ускориться, а затем замедлиться. Оказывается, электромагнитная волна всегда порождается электрическим зарядом, который движется с ускорением (как в данном случае). В частности, электрический заряд может колебаться или двигаться по кругу. Тогда, если движение электрического заряда периодическое, то и волна тоже периодическая.

Форма таких волн в виде линий напряженности электрического поля показана на рис. 3 и рис. 4. Аналогом обсуждаемого здесь импульса электромагнитной волны в акустике является волна, возникающая, например, при хлопке в ладоши. Или в общем случае – однократное отклонение от равновесного состояния любой точки упругой среды.

Вертикальные гармонические колебания заряда
Рис. 3. Вертикальные гармонические колебания заряда создают волну, подобную радиоволне, источником которой является колеблющийся диполь
Волна источником которой является заряд движущийся по кругу
Рис. 4. Источником такой волны является заряд, движущийся по кругу. Для релятивистских скоростей заряда (сравнимых со скоростью света в вакууме) такая волна называется синхротронным излучением

Если источник каждого типа волны колеблется гармонически, то получается периодически изменяющаяся волна – гармоническая волна. В связи с этим и для данного типа электромагнитных волн мы можем определить частоту и длину волны, описать их взаимосвязь известным способом: λ = с / f.