РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электричества и магнетизма и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на асимметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.

Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона магнитоэлектрической индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Магнитоэлектрическая индукция - физическое явление, заключающееся в том, что всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве, то есть в эфире, вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного физического процесса - электромагнитной индукции:

Электромагнитная индукция - физическое явление, заключающееся в том, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 1 и 2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, то есть систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть волны совместных колебаний магнитного и электрического полей, распространяющееся в базовой физической среде Вселенной - космическом эфире. Он подтвердил открытие, сделанное еще в XVII веке Робертом Гуком для оптических лучей, что электромагнитные волны, как и свет, поперечны – векторы

перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 3).

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – коэффициенты диэлектрической и магнитной проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – диэлектрическая и магнитная проницаемости эфира: ε₀ = 8,85419·10–12 Ф/м, μ₀ = 1,25664·10–6 Гн/м. Скорость электромагнитных волн в вакууме - свободном от вещества эфире (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме, то есть в свободном от вещества эфире, является одной из фундаментальных физических постоянных. Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время ньютонианцами спекулятивной теорией дальнодействия, в которой, несмотря на открытие Рёмера, сделанное еще в XVII веке, скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия, учитывающей то, что любое физическое взаимодействие в реальной физической среде происходит только при физическом соприкосновении физических объектов среды, - в данном случае корпускул эфира, - от точки к точке с характеристической скоростью распространения взаимодействия (волн) в этой среде, определяемой ее инерционностью μ₀ и упругостью ε₀

3. По гипотезе Максвелла в электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому, Максвелл считал, что объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w_э = w_м

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля Электромагнитные волны

и напряженности электрического поля Электромагнитные волны

в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

Плотностью потока или интенсивностью I [W/m²] называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для w_э, w_м и v, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора Электромагнитные волны

направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ₀. Этот вектор называют вектором Умова - Пойнтинга, впервые выведенный Николаем Алексеевичем Умовым, 1873, а затем примененный Пойнтингом, 1885 г.). В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I_ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля. Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

5. Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения сегодня теоретики объясняют тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла. Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что им присущ механический импульс. Импульс электромагнитной волны в единичном объеме выражается соотношением

где w_эм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме, то есть в свободном от вещества эфире.

Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной инерционной массы (также называемой инерцией, инертной, присоединенной массой), то есть инертности волн в эфире. Для поля в единичном объеме

Это соотношение между инертной массой, присущей как веществу, так и эфиру, и энергией электромагнитного поля является универсальным законом природы, выведенным в 1874 году великим русским физиком Николаем Алексеевичем Умовым. Оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Таким образом, эфирная среда обладает признаками физической материи – энергией, конечной скоростью распространения в ней волн, импульсом и инертной массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле в эфире является одной из форм движения эфира - базовой материи физической Вселенной.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Генриха Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости оптического излучения. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами или электрическими диполями. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p(t) которого быстро изменяется во времени. Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 4).

Рис. 5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Генриху Герцу принадлежит не только экспериментальное открытие электромагнитных волн, но и свойств электрических диполей, которые он Герц использовал в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Знаете ли Вы, что, как ни тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.