ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
Електромагнітною хвилею називають процес поширення електромагнітних коливань у просторі
В 60-х роках ХІХ століття видатний англійський фізик Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879 рр.) узагальнив основні експериментальні закони по електромагнетизму і розробив теорію електромагнітного поля, яке створюється довільною системою зарядів і струмів. Основу теорії становлять 4-ри рівняння Максвела наведені нижче в інтегральній і диференціальній формі.
Основні передумови. Струм зміщення
Причиною виникнення магнітного поля є рух електричних зарядів, тобто, - електричний струм у провіднику, - назвемо його «струмом провідності». А що ж відбувається у випадку, коли частина провідника відсутня, зокрема при наявності конденсатора (наявність конденсатора означає по суті розрив електричного кола)? Як пояснити наявність змінного струму в такому колі?
Фізичне пояснення цього явища дав Д.К.Максвелл. Це пояснення базується на понятті струмів зміщення, які є свого роду продовженням звичайних струмів провідності. Максвелл припустив, що магнітне поле може збуджуватись не тільки електричним струмом, а й змінним електричним полем.
Знайдем вираз для сили струму зміщення. Для цього розглянемо проходження змінного струму по колу, в яке увімкнений конденсатор (див. рисунок). Конденсатор не перешкоджає протіканню змінного струму і можна вважати, що звичайний струм провідност замикається в конденсаторі струмом зміщення
Заряд на обкладках плоского конденсатора
Тоді сила струму зміщення в конденсаторі
а густина струму зміщення :
,
або, враховуючи зв'язок між векторами напруженості й індукції електричного поля
Отже, густина струму зміщення дорівнює швидкості зміни з часом індукції електричного поля.
Врахуємо, що у діелектрику вектор індукції електричного поля пов'язаний з векторами напруженості і поляризації співвідношенням*
.
Тоді густина струму зміщення у діелектрику складається з двох доданків:
.
Другий доданок характеризує зміщення електричних зарядів у діелектрику, тоді як перший доданок має місце і у вакуумі.
Найголовніша властивість струму зміщення полягає в тому, що він, як і струм провідності, створює вихрове магнітне поле.
Струм зміщення виникає завжди, коли змінюється з часом електричне поле. Він може бути і в провідниках, і в діелектриках, і в вакуумі. Густина повного струму дорівнює сумі густин струмів провідності і зміщення:
* http://physics-lectures.ru/elektrostatika/14-1-polyarizaciya-dielektrikov/
Вихрове електричне поле
Джерелами електричного поля можуть бути або електричні заряди, або змінні в часі магнітні поля. У першому випадку поле електричних зарядів описується законом Кулона. Це поле є потенціальним, й інтеграл по довільному замкненому контуру L дорівнює нулеві . Силові лінії електричних полів є незамкненими: вони виходять з позитивних зарядів і входять у негативні або простягаються в нескінченність. З цієї причини електростатичне поле не може забезпечити неперервний рух електричних зарядів уздовж замкнених провідників, тобто створити електричний струм.
Щоб виник й існував тривалий час електричний струм у замкненому електричному колі, потрібна наявність сторонніх сил. Тоді , електричне поле напруженістю Е, яке при цьому виникає в провіднику і зумовлює постійне напрямлене переміщення електричних зарядів уздовж замкненого електричного кола, докорінно відрізняється від електростатичного поля. Лінії напруженості Е цього поля є замкненими вздовж провідного контуру, тому циркуляція вектора Е не дорівнює нулеві. Такі поля називають вихровими.
Вихрові електричні поля зумовлюють неперервний рух електричних зарядів уздовж замкнених провідників, вміщених у це поле, тобто можуть спричиняти виникнення індукційних струмів, що вперше і спостерігалося в дослідах Фарадея.
За уявленнями Дж. Максвела, всяке змінне в часі магнітне поле збуджує в оточуючому просторі вихрове електричне поле. Існує істотна відмінність тлумачення електромагнітної індукції М. Фарадеєм і Дж. Максвелом. Якщо М. Фарадей уявляв електромагнітну індукцію як збудження електричного струму в замкненому провіднику під дією змінного магнітного поля, то, на думку Дж. Максвела, суть явища електромагнітної індукції зводиться до виникнення вихрового електричного поля скрізь, де є змінне магнітне поле, і, отже, для прояву явища електромагнітної індукції наявність провідників є не обов'язковою. Виникнення індукційного струму в замкненому провідному контурі — це лише один із проявів виникнення вихрового електричного поля під дією змінного в часі магнітного поля.
З теорії Максвелла випливає, що вихрові електричне та магнітне поля, підтримуючи одне одне, здатні розповсюджуватись у просторі з швидкістю світла у вакуумі – 300 000 км/с (див. рисунок).