1. Бекон про закони природи
2. Як передається електромагнітне взаємодія
3. Як виникає електромагнітна хвиля
4. Взаємодія за допомогою електромагнітних хвиль

Бекон про закони природи

Фундаментальні закони природи, до числа яких відносяться знайдені Максвеллом закони електромагнетизму, чудові в наступному відношенні: "вони можуть дати більше, ніж укладено в тому матеріалі, з якого вони отримані". Саме завдяки цьому можлива наука. Справді, якби (перефразовуючи Козьму Пруткова) кожен закон, подібно ковбасі, містив би лише те, чим він начинений, то законів було б стільки ж, скільки явищ природи, і ми замість сучасної науки мали б неозоре скупчення відомостей про спостережуваних в природі процесах, але нічого нового не могли б передбачити.

Цей факт стосується самого сенсу науки, і тому необхідність його стала зрозумілою ще до того, як були сформульовані закони механіки. Наведене вище висловлювання належить англійському філософу Бекону і було зроблено ним до виходу в світ основної праці Ньютона "Математичні початки натуральної філософії".

Як передається електромагнітне взаємодія

Серед незліченних наслідків, що випливають з рівнянь для електромагнітного поля Максвелла, містився результат надзвичайної важливості, передбачити який заздалегідь було б важко. У них містилася, як виявив сам Максвелл, кінцівку швидкості поширення електромагнітних взаємодій.

Згідно з концепцією дальнодействия сила Кулона, діюча на електричний заряд, відразу ж зміниться, якщо сусідній заряд зрушити з місця. Дія передається миттєво. З точки зору дії на відстані інакше бути не може. Адже один заряд безпосередньо через порожнечу "відчуває" інший.

За Максвеллові справа йде зовсім інакше і набагато складніше. Переміщення заряду змінює електричне поле поблизу нього. Це змінне електричне поле (струм зміщення) породжує змінне магнітне поле в сусідніх областях простору.

Змінне магнітне поле в свою чергу породжує змінне електричне поле у ​​відповідності з польовим тлумаченням явища електромагнітної індукції, електричне в свою чергу - магнітне і т. Д. Причому виникають вихори магнітного (або електричного) поля гасять поле в тих ділянках, де воно вже було, але захоплюють нові області простору. Все відбувається за тими правилами визначення напрямку полів, про які ми вже говорили раніше. Якби поля були спрямовані інакше, то це призвело б до порушення закону збереження енергії. Створене в просторі магнітне поле наростало б з часом, одночасно поширюючись на всі боки.

Переміщення заряду викликає таким чином до життя дрімали до цього "здібності" електромагнітного поля, і в результаті сплеск цього поля, поширюючись, охоплює все більші й більші області навколишнього простору, перебудовуючи по дорозі то поле, яке існувало до зміщення заряду. Нарешті цей сплеск досягне другого заряду, що і призведе до зміни чинної на нього сили. Але станеться це не в той момент часу, коли відбувся зсув першого заряду. Процес поширення електромагнітного обурення, механізм якого був розкритий Максвеллом, протікає з кінцевої, хоча і дуже великою швидкістю.

Як виникає електромагнітна хвиля

Маючи в руках тільки перо і систему рівнянь електромагнітного поля перед очима, Максвелл чисто математично довів, що швидкість поширення цього процесу дорівнює швидкості світла в порожнечі: триста тисяч кілометрів на секунду. Ось нове фундаментальне властивість поля, яке робить його, нарешті, відчутною реальністю. Можна поставити досвід з вимірювання часу поширення обурення між двома зарядами. Практично, правда, подібний досвід навряд чи вдасться здійснити, так як дуже велика швидкість. Але це не так вже суттєво. Важливо, що вперше з'явилася можливість довести існування поля досвідченим шляхом. Якщо ця можливість є, то рано чи пізно завжди буде знайдено такий варіант досвіду, який виявиться здійсненним. Так і сталося в дійсності, коли Герцу вдалося отримати електромагнітні хвилі.

Уявіть собі, що електричний заряд не просто змістився з однієї точки в іншу, а наведено в швидкі коливання уздовж деякої прямої, так що він рухається подібно вантажу, підвішеного на пружинці, але тільки багато швидше. Тоді електричне поле в безпосередній близькості від заряду почне періодично змінюватися. Період цих змін, очевидно, буде дорівнює періоду коливань заряду. Електричне поле породжуватиме періодично змінне магнітне поле, а останнє в свою чергу викликає появу змінного електричного поля, вже на більшій відстані від заряду, і т. Д.

У навколишньому заряд просторі, захоплюючи все більші й більші області, виникає система періодично змінюються електричних і магнітних полів ( "моментальний знімок" такої системи, мабуть, багатьом добре відомий), і цей процес поширюється зі швидкістю світла. Утворюється то, що ми називаємо електромагнітної хвилею, що біжить на всі боки від коливного заряду. У кожній точці простору електричні і магнітні поля змінюються в часі періодично, але, так як чим далі розташована точка від заряду, тим пізніше досягнутий її коливання полів, на різних відстанях від заряду коливання не відбуваються синхронно.

Максвелл був глибоко переконаний в реальності електромагнітних хвиль, але дожити до їх виявлення йому не судилося. Помер він порівняно молодим, за 10 років до того, як Герц вперше експериментально довів існування електромагнітних хвиль.

Взаємодія за допомогою електромагнітних хвиль

За допомогою електромагнітних хвиль здійснюється абсолютно новий тип взаємодії між електричними зарядами. Випромінюються хвилі хитаються електричними зарядами, отже, зарядами, швидкість руху яких змінюється з часом, - зарядами, що рухаються з прискоренням. Прискорення - головна умова породження електромагнітних хвиль. Електромагнітне поле випромінюється не тільки при коливаннях заряду, але і при різкій зміні його швидкості.

Отже, сили взаємодії, які здійснюються електромагнітним полем, залежать не тільки від відстані між частинками і їх швидкостей, але і від прискорень! Однак при цьому від прискорення залежить тільки величина поля. Сила ж, діюча на заряд з боку електричного поля електромагнітної хвилі, як і раніше залежить тільки від напруженості поля, а з боку магнітного - ще від швидкості руху заряду.

З чим більшою частотою коливається заряд, тим більше прискорення він має і тим відповідно більше інтенсивні випромінюються їм хвилі. При збільшенні частоти коливань всього лише в два рази яку випромінює енергія зростає в 16 разів! Тому в антенах радіостанцій збуджуються коливання з частотою в сотні мільйонів коливань в секунду.

Найважливішим фактом взаємодії за допомогою електромагнітних хвиль, що визначає всі його значення, є повільність убування напруженостей полів в хвилі з відстанню від джерела. Як ви пам'ятаєте, електростатичні сили і сили взаємодії струмів обернено пропорційні квадрату відстані і при цьому вважаються дальнодействующими. Зменшення ж з відстанню полів в електромагнітній хвилі відбувається обернено пропорційно самому відстані! Це вкрай повільне убування. Всі інші сили зменшуються з відстанню набагато швидше. Тут же, як показують обчислення, за рахунок послідовного збудження полів один одним вони виявляються здатними йти від джерела дуже далеко. Ось чому поля навіть порівняно малопотужною радіостанції можуть бути виявлені на відстанях в тисячі кілометрів, в той час як статичні поля на таких відстанях вже ніяк не позначаються.

Тут ми зустрічаємося з цікавим фактом. Поле, створюване зарядом на малих від нього відстанях, - це, в основному, кулоновское поле (правда, кілька модифіковане рухом джерела) з порівняно малими добавками вихрових електричних і магнітних полів. Але варто нам відійти подалі - і ці добавки виявляться на першому плані і затьмарять швидко спадають з відстанню кулонівських поля.

Щось схоже відбувається, якщо завгодно, і з людьми. Хіба рідко траплялося, що сучасники, які дивилися, так би мовити, зблизька, не розуміли, за поодинокими винятками, тих людей, справжні масштаби величі яких стали виразними тільки завдяки історичній перспективі? Кеплер, пізній Рембрандт, Лобачевський ... х��ба перелічиш? Буває і навпаки. Пам'ятайте в старій казці Андерсена: "Позолота вся зітреться, свиняча шкіра залишається ...". Але чи варто говорити про свинячий шкірі - на щастя, прекрасне володіє набагато більшим "радіусом дії".

Але повернемося до електромагнітних хвиль.

З тієї ж причини, про яку ми говорили вище, ми бачимо (адже світло - теж електромагнітна хвиля) зоряні скупчення, віддалені від нас на неймовірні відстані, які світло долає тільки за сотні мільйонів років!

Не можна не згадати і ще про одну сторону процесу випромінювання. Якщо частка випромінює, то розходяться електромагнітні хвилі несуть із собою енергію. Випромінююча частка втрачає енергію і, отже, повинна відчувати деяке гальмування. На неї діє щось подібне силі тертя. Але що ж це за сила? З боку чого вона діє?

Нам добре відомо, що на заряджену частинку діє сила з боку електричного і магнітного полів. Поки ми мали на увазі тільки зовнішні (т. Е. Створюються оточуючими частку зарядженими тілами) поля. Але ж є ще й поля власні, створювані самою часткою. Не роблять вони впливу на породжує їх джерело? Легко здогадатися, що ніяких сил самовоздействия немає, якщо джерело спочиває. Адже інакше сталося б абсолютно неймовірне: самоускорением частки, наданій самій собі. Положення не змінюється і при рівномірному і прямолінійному русі джерела (в чому легко переконатися, згадавши, що спокій є просто окремий випадок рівномірного прямолінійного руху). У цих найпростіших випадках польовий шлейф мчить разом з часткою, не відриваючись і не деформуючись.

Зовсім інший стає картина, якщо, наприклад, різко підштовхнути джерело. Будь швидкість поширення електромагнітних сигналів нескінченно великою, слідом за здійснила "ривок" часткою метнулось б і все створюване нею поле, а, отже, сила самовоздействия як була, так і залишилася б нульовий. Але цього не відбувається. Частка встигає вискочити з положення рівноваги в власному полі, внаслідок чого повинна з'являтися сила, яка прагне повернути її в це положення, - гальмівна сила. Частка як би грузне у власному полі. Недарма фізики говорять, що з'являється "радіаційне тертя". Не буде помилкою сказати, що енергія, що втрачається випромінює часткою, дорівнює роботі сили радіаційного тертя, т. Е. Сили, з якою діє на джерело створюване їм поле.

Але у самовоздействия є і ще одна цікава риса. Ми сказали, що сила самовоздействия спочиває (або рівномірно і прямолінійно рухається) частки дорівнює нулю. Але з цього зовсім не випливає, що дорівнює нулю і енергія самовоздействия. Польовий шлейф має енергію, він має масу, він, отже, вносить свій внесок в інерцію частки.

Якби електрон раптом втратив з якоїсь таємничої причини свій заряд, в ту ж мить зменшилася б його маса. На яку частку? Ось цього ми поки не знаємо. Та це й не дивно. Адже тут ми торкаємося таких сторін взаємодії між частинками і створюваним ними полем, розібратися в яких можна лише після ґрунтовного поглиблення наших знань про те, що часто називають структурою елементарних частинок. А це поки що область науки завтрашнього дня.