4.4. Шкала электромагнитных волн

Колебания электрических и магнитных полей, их взаимная связь и переход одного поля в другое известны нам ещё из школьного курса физики.

Поскольку пластины конденсатора замкнуты на катушку, он сразу начинает разряжаться и по цепи потечёт увеличивающийся ток, скачкообразному возрастанию которого препятствует возникающая в катушке ЭДС самоиндукции. В момент полного разряда конденсатора ток достигает максимума (рис. 4.5б) и затем начинает уменьшаться. Это приводит к смене знака ЭДС, и она поддерживает уменьшающийся ток, пока весь положительный заряд не окажется на нижней (по рис. 4.5) обкладке конденсатора. Затем процесс повторяется, но в обратном направлении. В момент времени, когда конденсатор полностью разрядился, электрическое поле отсутствует, и ранее запасённая в конденсаторе энергия перешла в энергию магнитного поля, сосредоточенного в катушке индуктивности. Энергия магнитного поля может быть найдена по формуле (3.70). Если рассматривать идеальный случай, когда нет тепловых потерь в цепи, т.е. её активное сопротивление равно нулю, то она, естественно, будет равна начальной энергии конденсатора:

,

(4.18)

где через i_m обозначен максимальный ток в контуре, в момент, когда конденсатор полностью разряжен.

Поскольку как заряд, так и ток меняются периодически с одной и той же циклической частотой w, можно записать закон изменения заряда в виде любой периодической функции, и по нему найти закон изменения тока:

q = q0 cos w t; ,

(4.19)

где i_m = q₀ w — максимальное значение силы тока в контуре.

Подставив значение i_m и q₀ в (4.18), найдём хорошо известное выражение, позволяющее вычислить период колебаний, возникающих в контуре, по индуктивности и ёмкости.

Описываемый колебательный контур называют закрытым, поскольку электрические и магнитные поля в нём разделены и локализованы каждое в своей области пространства. Переход электрического поля в магнитное в закрытом контуре происходит, но электромагнитное поле практически не возникает.

Чтобы возникающее магнитное поле, а вслед за ним и электрическое, были достаточно велики для того, чтобы их можно было зарегистрировать, Герц выполнил пластины конденсатора так, чтобы между ними могла проскакивать искра. Возникающий в контуре разряд, помимо большой частоты колебаний, необходимой для увеличения напряженностей полей (4.10), увеличивал еще и разность потенциалов на пластинах, поскольку разряд может происходить лишь при достижении пробивного напряжения. На определенном расстоянии от описанного выше контура находился точно такой же контур. Но если к первому подводилось напряжение для его зарядки, то второй мог получать энергию лишь от первого, если электромагнитная волна пройдет разделяющее их расстояние и донесет энергию до второго контура.

Герц практически полностью справился с задачей, поставленной Академией. Оставлял сомнения факт резкой разницы длин волн: световой и электромагнитной. Лишь в том случае, когда длины эти совпадут, можно будет считать окончательно доказанной последнюю гипотезу об электромагнитной природе света. Подойти к решению этой задачи пытался П. Лебедев, но ему удалось получить лишь сантиметровые волны. Только в 1924 году в Ташкенте, куда, спасаясь от голода уехали многие ученые, Глаголева-Аркадьева получила электромагнитные волны с длиной волны, равной длине волны инфракрасных лучей, окончательно доказав положение, что свет есть электромагнитная волна.

Стоит заметить, что к тому времени уже накопилось достаточно фактов, свидетельствовавших о том, что только волновое представление о свете далеко неполно. В 1905 году А. Эйнштейн за обобщение этих фактов получил Нобелевскую премию, а молодой французский физик де Бройль высказал гипотезу о том, что взгляды, сформулированные Эйнштейном для света, приложимы и к частицам. И, к моменту подтверждения Максвелловских гипотез, физика перешла к созданию своего нового, неклассического раздела — квантовой механики.

Очень интересно, что Г. Герц, публикуя свою работу, высказал глубокое убеждение в том, что зарегистрированные в его опытах волны никогда не будут иметь практического приложения.

Электромагнитные волны теперь хорошо изучены. Их длина волны l и, следовательно, частота

(4.20)

меняются в очень широком диапазоне и определяют физические свойства волны и характер её воздействия на вещество.

Все известные длины волн разделены на диапазоны, каждый из которых имеет свое название, которое зависит от способа возбуждения этой волны. Ниже приведен рисунок, где на шкале всех возможных длин волн выделены эти диапазоны, указаны способы их возбуждения.

Длина волны, м

105…10–3

10–4

10–5

10–6

10–7

10–8

10–9…10–10

10–11…10–15

радио-волны

инфракрасные

видимые

ультрафиолет

рентген

g-лучи

переменные токи

атомные процессы

ядерные реакции

Рис. 4.7

Коротко коснёмся радиоволн. Самые длинные из них испускаются небесными телами, улавливаются радиотелескопами. Излучение объясняется тем, что любое небесное тело заряжено. Поскольку оно движется по замкнутой эллиптической траектории, т.е. имеет ускорение, то, как и любой ускоренно движущийся заряд, создаёт электромагнитное поле. Из-за очень большого периода движения (малой частоты) создаваемое небесными телами электромагнитное излучение имеет большие — многокилометровые длины волн. Эти радиоволны улавливаются радиотелескопами. Существует целый раздел астрономии — радиоастрономия, все выводы которой основаны на изучении особенностей излучения отдельных объектов Вселенной.

Использование радиоволн в целях связи, радио, телевидения, радиолокации общеизвестно. Современные мобильные телефоны также используют радиоволны. Для каждого типа связи определён свой интервал длин волн.

Следующие диапазоны в представленной шкале электромагнитных волн мы пока обсуждать не будем. Особенности каждого из них будут подробно рассмотрены в 3 части ?Курса лекций?.