§ 19. Електромагнітне поле та електромагнітні хвилі

• Назад до змісту

Якщо ваша подруга візьме магніт і понесе його від вас, хто з вас «виявить» тільки магнітне поле, а хто — і магнітне, і електричне?

Подруга виявить тільки магнітне поле, оскільки відносно неї магніт залишається нерухомим. Ви виявите і магнітне, і електричне поля, оскільки відносно вас магніт рухається, унаслідок чого його магнітне поле змінюється і створює електричне поле.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Яку властивість електромагнітних хвиль підтверджує цей дослід?

Цей дослід підтверджує властивість електромагнітних хвиль відбиватися від провідних предметів (металевої фольги) та проходити крізь діелектрики (папір).

А ЯК НАСПРАВДІ?

Що, на вашу думку, відповів учитель?

Учитель відповів, що у тунелях зв’язок працює завдяки встановленим усередині повторювачам сигналу (базовим станціям або випромінювальним кабелям) та поширенню хвиль через відкриті входи тунелю, тоді як суцільний товстий шар ґрунту й гірських порід над печерою поглинає та відбиває електромагнітні хвилі, повністю блокуючи радіосигнал.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла?

Гіпотеза Дж. Максвелла полягає в тому, що не тільки змінне магнітне поле створює електричне поле, а й змінне електричне поле створює магнітне поле.

2. Дайте означення електромагнітного поля.

Електромагнітне поле — це вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими тілами і частинками та намагніченими тілами.

3. Наведіть приклади, що підтверджують відносність електричного та магнітного полів.

Прикладом відносності полів є випадок із зарядженою кулькою в руках людини, яка рухається відносно спостерігача. У системі відліку, пов’язаній із людиною, яка несе кульку, заряд є нерухомим, тому виявляється лише електричне поле. У системі відліку, пов’язаній зі спостерігачем, заряд рухається і створює змінне електричне поле, тому виявляються і електричне, і магнітне поля.

4. Як утворюється електромагнітна хвиля? Які об’єкти можуть її випромінювати?

Електромагнітна хвиля утворюється внаслідок взаємного породження змінних електричних і магнітних полів: змінне магнітне поле створює змінне електричне поле, яке, у свою чергу, створює змінне магнітне поле, що розповсюджується в просторі. Джерелом електромагнітної хвилі може бути будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням (змінює швидкість за значенням або напрямком), провідник зі змінним струмом, а також об’єкти атомного й ядерного масштабів під час внутрішніх процесів та переходів.

5. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю? Як вони пов’язані?

Електромагнітну хвилю характеризують частота ($\nu$), довжина хвилі ($\lambda$) та швидкість поширення ($v$). Вони пов’язані формулою хвилі $v = \lambda \nu$, а для поширення хвилі у вакуумі — формулою $c = \lambda \nu$, де $c \approx 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$ — швидкість світла у вакуумі.

6. Які властивості електромагнітних хвиль установлено в ході дослідів Г. Герца?

У ході дослідів Г. Герца було встановлено, що електромагнітні хвилі відбиваються від провідних предметів (за законом рівності кута падіння та кута відбивання), змінюють напрямок (заломлюються) на межі з діелектриком, а також частково поглинаються та розсіюються речовиною.

ВПРАВА 19

1. Виберіть правильні відповіді із запропонованих. Електромагніт підіймального крана живиться постійним струмом. Визначте: 1) коли електромагніт створює для оператора крана і електричне, і магнітне поля; 2) коли електромагніт випромінює електромагнітні хвилі. а) у момент замикання кола; б) у момент розмикання кола; в) коли електромагніт, рухаючись рівномірно, переносить вантаж; г) коли нерухомий електромагніт тримає вантаж.

1. Електромагніт створює для оператора крана і електричне, і магнітне поля в моменти замикання кола (а) та розмикання кола (б), оскільки в ці моменти відбувається зміна магнітного поля, що породжує електричне поле, а також коли електромагніт, рухаючись рівномірно, переносить вантаж (в), якщо оператор перебуває в іншій системі відліку щодо рухомого джерела полів.

2. Електромагніт випромінює електромагнітні хвилі у моменти замикання кола (а) та розмикання кола (б), оскільки в ці проміжки часу сила струму змінюється, і заряджені частинки рухаються з прискоренням.

2. Доповніть таблицю, вважаючи, що хвилі поширюються в повітрі.

Заповнена таблиця на основі формули зв’язку швидкості, довжини та частоти хвилі ($v = \lambda \nu$, де швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі прийнято рівною швидкості у вакуумі $v \approx c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$):

3. За рис. 19.6 визначте довжини електромагнітних хвиль для світла фіолетового та червоного кольорів. Розгляньте випадки, коли світло поширюється: а) у вакуумі; б) у склі (швидкість поширення світла у склі зменшується в 1,64 раза для світла червоного кольору, в 1,67 раза — для світла фіолетового кольору).

Згідно з рис. 19.6 частота червоного світла становить $\nu_{\text{ч}} = 4 \cdot 10^{14}\text{ Гц}$, а фіолетового світла — $\nu_{\text{ф}} = 7{,}5 \cdot 10^{14}\text{ Гц}$.

а) У вакуумі швидкість поширення світла дорівнює $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$:

• Довжина хвилі червоного світла: $\lambda_{\text{ч}} = \dfrac{c}{\nu_{\text{ч}}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{4 \cdot 10^{14}} = 7{,}5 \cdot 10^{-7}\text{ м} = 750\text{ нм}$.
• Довжина хвилі фіолетового світла: $\lambda_{\text{ф}} = \dfrac{c}{\nu_{\text{ф}}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{7{,}5 \cdot 10^{14}} = 4 \cdot 10^{-7}\text{ м} = 400\text{ нм}$.

б) У склі частота хвилі залишається незмінною, а довжина хвилі зменшується в стільки ж разів, у скільки зменшується швидкість:

• Довжина хвилі червоного світла у склі: $\lambda_{\text{ч.скло}} = \dfrac{750\text{ нм}}{1{,}64} \approx 457\text{ нм}$ ($4{,}57 \cdot 10^{-7}\text{ м}$).
• Довжина хвилі фіолетового світла у склі: $\lambda_{\text{ф.скло}} = \dfrac{400\text{ нм}}{1{,}67} \approx 240\text{ нм}$ ($2{,}4 \cdot 10^{-7}\text{ м}$).

4. Дізнайтеся про винайдення радіо. Зробіть коротке повідомлення.

Теоретичне існування електромагнітних хвиль передбачив Джеймс Максвелл у 1865 році, а в 1887 році німецький фізик Генріх Герц експериментально підтвердив їхнє існування та створив перші пристрої для їх випромінювання й приймання. Наприкінці XIX століття ідею використання електромагнітних хвиль для бездротового зв’язку розвивали декілька вчених та винахідників, зокрема Нікола Тесла, Гульєльмо Марконі, Олександр Попов та Олівер Лодж. Першу практичну систему радіозв’язку створив та запатентував італійський винахідник Гульєльмо Марконі у 1896 році, а в 1901 році він успішно здійснив першу трансатлантичну передачу радіосигналу. За внесок у розвиток бездротової телеграфії Г. Марконі разом із К. Ф. Брауном у 1909 році був удостоєний Нобелівської премії з фізики.