Існування електромагнітних хвиль — змінного електромагнітного поля, яке поширюється в просторі з кінцевою швидкістю, — випливає з рівнянь Максвелла. Рівняння Максвелла сформульовані ще в 1865 р. на основі узагальнення емпіричних законів електричних і магнітних явищ і розвитку ідеї Фарадея. Вирішальну роль для підтвердження теорії Максвелла зіграли досліди Герца (1888), які довели, що електричні й магнітні поля дійсно поширюються у вигляді хвиль, властивості яких повністю описується рівняннями Максвелла. В інтегральній формі рівняння Максвелла мають вигляд:
(6.1)
(6.2)
(6.3)
(6.4)
З цих рівнянь можна зробити кілька важливих висновків:
- змінне магнітне поле є причиною виникнення в просторі вихрового електричного поля (6.1);
- причиною виникнення статичного електричного поля є наявність у просторі статичних електричних зарядів (6.2);
- струм провідності і струм зміщення є причиною виникнення в просторі вихрового магнітного поля (6.3);
- магнітних зарядів в природі не існує (6.4).
Джерелом електромагнітних хвиль може бути будь-який електричний коливальний контур або провідник, по якому тече змінний електричний струм, оскільки для утворення електромагнітних хвиль необхідно створити в просторі змінне електричне поле (струм зміщення) (6.3), або відповідно змінне магнітне поле (6.1). Випромінююча здатність джерела електромагнітних хвиль визначається його формою, розмірами і частотою коливань. Щоб випромінювання було помітним, необхідно збільшити об’єм простору, у якому створюється змінне електромагніт-не поле. Тому для одержання електромагнітних хвиль непридатні закриті коливальні контури, так-як в них електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора, а магнітне — усередині котушки індуктивності.
Герц у своїх дослідах, зменшуючи число витків котушки і площу пластин конденсатора, а також розсовуючи їх (рис. 30, а, б), здійснив перехід від закритого коливального контуру до відкритого коливального контуру (вібратора Герца), який складається з двох стрижнів, розділених іскровим проміжком (рис. 30, в). Якщо в закритому коливальному контурі змінне електричне поле зосереджене усередині конденсатора (рис. 30, а), то у відкритому — воно заповнює навколишній простір (рис. 30, в), що істотно підвищує інтенсивність електромагнітного випромінювання.
Рис. 30
Рис. 31
Коливання в такій системі підтримуються за рахунок джерела е.р.с., увімкненого до обкладок конденсатора, а іскровий проміжок застосовується для того, щоб збільшити різницю потенціалів, до якої в початковий момент часу заряджаються обкладки конденсатора.
Для утворення електромагнітних хвиль вібратор Герца В під’єднували до індуктора I(рис. 31). Коли напруга на іскровому проміжку досягала пробивного значення, виникала іскра, яка замикала обидві половини вібратора, і у вібраторі виникали вільні затухаючі коливання. При зникненні іскри контур розмикався і коливання припинялися. Потім індуктор знову заряджав конденсатор, виникала іскра й у контурі знову спостерігалися коливання, і т.д. Для реєстрації електромагнітних хвиль Герц використовував інший вібратор, який був названий резонатором Р, щомав таку ж частоту власних коливань, як і випромінюючий вібратор. Коли електромагнітні хвилі досягали резонатора, то в його зазорі виникала електрична іскра.
Для одержання незатухаючих коливань необхідно створити автоколивальну систему, яка б забезпечувала подачу енергії з частотою, рівною частоті власних коливань контуру. Тому в 20-х роках минулого сторіччя перейшли до генерування електромаг-нітних хвиль за допомогою електронних ламп. Лампові генератори дозволяють одержувати коливання заданої (практично будь-якої) потужності і синусоїдальної форми.
Електромагнітні хвилі, які мають досить широкий діапазон частот (або довжин хвиль λ = c/υ, де с - швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі), відрізняються одна від одної за способам їх генерації і реєстрації, а також за своїми властивостями. Тому електромагнітні хвилі поділяються на кілька видів: радіохвилі, світлові хвилі, рентгенівське і γ-випромінювання (табл. 1). Слід зазначити, що межі між різними видами електромагнітних хвиль досить умовні.
Таблиця 1.
Вид випромінювання
Довжина хвилі, м
Частота, Гц
Джерело випромінювання
Радіохвилі
Світлові хвилі:
- інфрачервоне випромінювання.
- видиме світло
- ультрафіолетове випромінювання
Рентгенівське випромінювання
Гамма-випромінювання
Коливальний контур
Вібратор Герца
Ламповий генератор
Лампи
Нагріті тіла
Лазери
Рентгенівські трубки
Радіоактивність
Космічне випромінювання
Наслідком теорії Максвелла є поперечний характер електромагнітних хвиль:вектори Ε і Η напруженостей електричного і магнітного полів хвилі взаємно перпендикулярні (рис. 32) ілежать у площині, яка є перпендикулярною до вектора υ швидкості поширення хвилі, причому вектори Ε, Η і υ утворюють правогвинтову систему.
Рис. 32
З рівнянь Максвелла випливає також те, що в електромагнітній хвилі вектори Ε і Η завжди коливаються в однакових фазах(рис. 32), причому миттєві значення Еі Н у будь-якій точці зв'язані співвідно-шенням
(6.5)
Рівняння коливань векторів Е і Н, які задовольняютьплоским монохроматичним електромагнітним хвилям (рис.32) мають вигляд
(6.6)
де Е0 і Н0 ─ відповідні амплітуди електричного і магнітного полів хвилі; ω ─ колова, або циклічна частота; к ─ хвильове число ( к = ω/υ).