Электромагнитные волны в природе и технике. Уравнения Максвелла
Уравнения Максвелла по своему значению для современной физики сопоставимы с законами Ньютона. Они описывают одно из четырех фундаментальных взаимодействий физического мира — электромагнитное взаимодействие.
Море электромагнитных волн
Что такое электромагнитные волны, и какая нам от них польза? Сначала о пользе. Если бы ученые не научились «укрощать» разные виды электромагнитных волн, у нас не было бы сотовой связи и микроволновых печей, рентгеновских аппаратов и гамма-телескопов, радио и телевидения. Всё это работает благодаря разным видам электромагнитных волн, среди которых радиоволны, микроволновое и инфракрасное излучение, рентгеновские и гамма-лучи и т. д.
Виды излучения различаются длиной волны, частотой колебаний и источниками, от которых они исходят. Например, источником радиоволн могут быть как атмосферные явления, так и радиосвязь, созданная человеком. Тепловое излучение исходит от всех живых организмов, ультрафиолетовое — от Солнца, гамма-излучение можно наблюдать в космосе.
Итак, электромагнитные волны — это колебания электрического и магнитного полей, которые распространяются от источника. Почему же волны называются сложным словом «электромагнитные»? Дело в том, что как только из-за колебания электронов происходят волнообразные изменения в электрическом поле, сразу же вслед за этим появляется магнитная волна. Это единое явление, и разделить эту пару волн невозможно.
«Основная философская ценность физики в том, что она дает мозгу нечто определенное, на что можно положиться.» Джеймс Клерк Максвелл
Магнит и электричество — между ними что-то есть!
Четыре уравнения, созданные английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, дают точное математическое описание электромагнитных волн и законов их распространения. Уникальность этих уравнений в том, что с их помощью Максвелл предсказал существование электромагнитного излучения в то время, когда физика еще была не в состоянии «увидеть» его.
Максвелл сделал свои открытия не на пустом месте. Еще в 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что ток, пропускаемый через провод, воздействует на компас, заставляя отклоняться его стрелку. Чуть позже было сформулировано соотношение между электрическим током и магнитным полем. Теперь ученые могли рассчитать величину магнитного поля, создаваемого электрическим током определенной величины.
Через десять лет после этого физик экспериментатор Майкл Фарадей выявил, что существует обратное влияние магнита на ток: во время опыта, при котором возле проводника перемещали магнит, обнаружилось возникновение в проводнике электрического тока. Тогда у Фарадея впервые появилась догадка о существовании некоего поля, порождаемого электрическими зарядами и силами тока.
Максвелл не только развил теории Фарадея, но и привнес в них множество новых идей. Кроме того, он предсказал существование целого спектра электромагнитных волн, неизвестных науке того времени: радиоволн, микроволн, инфракрасных лучей и т. д. Все они были открыты уже после смерти Максвелла и полностью соответствовали его предсказаниям.
Уверенность ученого в том, что существуют электромагнитные волны, не воспринимаемые человеческим глазом, подтвердилась. Максвелл сравнивал человека, неспособного воспринимать электромагнитные волны, кроме видимого света, со слушателем симфонического концерта, который, в силу ограничений своего слуха, слышит только скрипку и не подозревает, что на сцене исполняется прекрасная многоголосная музыка. В природе тоже звучит симфония электромагнитных волн, к сожалению, нами не воспринимаемая.
Главный труд Максвелла, в котором изложены основные теории и доказательства, называется «Трактат по электричеству и магнетизму». Работа над ним заняла у ученого целых 19 лет