Как видно из приведенных на предыдущей странице слов Максвелла, он считал, что электромагнитные волны распространяются в некоторой среде. Существование такой «светоносной» среды, которую назвали эфиром, предполагали и многие последователи Максвелла.
В конце 19-го века были поставлены исключительно точные эксперименты для обнаружения так называемого «эфирного ветра», обусловленного движением Земли относительно эфира. Однако никаких следов «эфирного ветра» обнаружить не удалось.
В начале 20-го века выдающийся физик Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности, которая убедительно объяснила все электромагнитные явления, не требуя существования эфира. Согласно теории относительности электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме. Причем в вакууме скорость электромагнитных волн наибольшая — около 300 000 км/с.
Свет может идти через пустоту миллиарды лет, принося нам все новые интригующие сведения о звездах и галактиках (мы расскажем об этом в Главе 9. Звезды, галактики, Вселенная). Вот почему мы видим огромное множество звезд, но «слышим» только великое молчание космоса: в межзвездном пространстве нет среды, в которой может распространяться звук.
Как будет показано в § 24. Кванты света — фотоны, световые волны можно рассматривать также как поток частиц — фотонов. А возможность движения частиц в вакууме уже не кажется странной.
М. Фарадей ввел понятие поля:
вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,
вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.
В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.
Рисунок 2.7 — Вихревое электрическое поле
где,
— вектор напряженности электрического поля,
— вектор магнитной индукции.
Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.
В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле.
Возникла идея о едином электромагнитном поле.
Рисунок 2.8 — Единое электромагнитное поле.
Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.
Электромагнитное поле — это особая форма материи — совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:
— проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;
— распространяется с большой, но конечной скоростью;
— существует независимо от нашей воли и желаний.
При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).
Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.
Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.
Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.
Рисунок 2.9 — Спектр электромагнитных волн
Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.
Ра́дио (лат. radio — излучаю, испускаю лучи ← radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.
Радиоволны (от радио. ), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой 12 Гц).
Радиоволны — это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м).
λ=300/f, где f — частота (МГц)
Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании — радиоволны.
«Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор — устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты — радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10— 11 м.
Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода.
Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (колебания векторов 
). Вблизи заряда электрическое и магнитное поля изменяются со сдвигом фаз p/2.
Рисунок 2.10 — Единое электромагнитное поле.
На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно.
Рисунок 2.11 — Синфазное изменение электрического и магнитного полей.
Электромагнитная волна поперечна. Направление скорости электромагнитной волны совпадает с направлением движения правого винта при повороте ручки буравчика вектора 
к вектору 
.
Рисунок 2.12 — Электромагнитная волна.
Причем в электромагнитной волне выполняется соотношение 
, где с – скорость света в вакууме.
Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.
Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты. Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты.
Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).
Закрытый колебательный контур электромагнитных волн не излучает: вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Частота колебаний определяется параметрами колебательного контура: 
.
Рисунок 2.13 — Колебательный контур.
Для увеличения частоты необходимо уменьшить L и C, т.е. развернуть катушку до прямого провода и, т.к. 
, уменьшить площадь пластин и развести их на максимальное расстояние. Отсюда видно, что мы получим, по существу, прямой проводник.
Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник.
Рисунок 2.14 — Вибратор Герца.
Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры.
Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3 . 10 8 м/с.
Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн.
Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света.
Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн.
С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода.
Таким образом, можно определить, что радиоволна — это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц.
Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние
Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из ( 1 ), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f = 1 / T, то длина волны λ = υ / f .
Радиолиния включает в себя следующие основные части:
• Среда, в которой распространяются радиоволны.
Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии.
Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).
Это, пожалуй, полный вопрос новичка, и я постараюсь сформулировать его как можно лучше, так что вот так. Как электромагнитная волна проходит, например, через космический вакуум?
Я обычно вижу, что волны объясняются аналогиями с водой, кусочками веревки, гитарными струнами и т. Д., Но мне кажется, что для распространения всех этих волн нужна среда. На самом деле, с моей точки зрения, в этих примерах волна как «вещь» не существует, это просто движущаяся среда (невольная ссылка на Матрицу, извините).
Но в космосе нет среды, так как движется волна? Есть ли какие-то свободные частицы в этом "вакууме" или что-то еще? Я полагаю, что существование «эфира» было отвергнуто Майкельсоном и Морли , так что, предположительно, нет среды для прохождения волны.
Более того, я видел другие ответы, которые описывают свет как возмущение электромагнитного поля, но разве существование поля, потенциального, пока не нарушено? Как он может путешествовать через то, чего не существует, пока его не побеспокоит путешествующий свет? (это последнее предложение, вероятно, является большим заблуждением мной).
Ответы
Частицы, связанные с электромагнитными волнами, описываемыми уравнениями Максвелла , являются фотонами . Фотоны — это безмассовые калибровочные бозоны, так называемые «частицы силы» КЭД (квантовая электродинамика).
В то время как звук или волны в воде — это просто флуктуации (или различия) в плотности среды (воздух, твердый материал, вода, . ), фотоны являются фактическими частицами, то есть возбуждениями квантового поля. Таким образом, «среда», в которой распространяются фотоны, — это просто пространство-время, которое все еще существует, даже в большинстве заброшенных мест во вселенной.
Упомянутые вами аналогии все еще не так плохи. Поскольку мы не можем визуализировать распространение электромагнитных волн, нам нужно придумать что-то, что мы можем, что неудивительно, что это другая форма волны, например вода или струны.
Как уже упоминалось в PotonicBoom, поле фотонов существует повсюду в пространстве-времени. Однако только возбуждение основного состояния (вакуумного состояния) — это то, что мы подразумеваем под частицей, называемой фотоном.
Если мы упростим до классического электромагнетизма, то электромагнитное поле — это векторное поле, которое существует во всем пространстве. Зависящее от времени электромагнитное поле имеет часть электрического поля и часть магнитного поля, связанную с ним, и обе изменяются со временем. Они описываются уравнениями Максвелла.
Этот сайт имеет хороший анимированный GIF, который показывает, как два векторных поля распространяются в трехмерном пространстве. Обратите внимание, что электрические и магнитные поля постоянно колеблются (меняют значения) перпендикулярно друг другу. То, что мы называем тогда излучением, является просто путешествующим возмущением энергии.
С тех пор электромагнитные волны имеют электрический и магнитный вектор. Благодаря этому электромагнитные волны показывают электрическое и магнитное поле. Электрическое и магнитное поле не нуждаются в среде, чтобы показать их эффект. Следовательно, при наличии вектора электрического и магнитного поля, которые вибрируют перпендикулярно друг другу и получают первертацию, электромагнитные волны распространяются в вакууме.
Электромагнитные волны — это только наблюдаемое явление. Там нет путешествий.
В качестве примера мы можем выбрать фотон, который «путешествует» от Солнца к Земле (для простоты нас не волнуют вопросы гравитации). Это означает, что Солнце излучает немного энергии (импульса), которую получает Земля. Пока все в порядке. Но что происходит между излучением и поглощением? Интервал пространства-времени равен нулю, потому что мировая линия фотона подобна свету. Пустой нулевой интервал не может быть пройден, передача импульса происходит напрямую.
Такое же явление в уменьшенной форме может наблюдаться в мысленном эксперименте, когда космонавт совершает космический полет вокруг скорости света. В 2001 году он может путешествовать 2000 световых лет, что для него сокращается из-за замедления времени и сокращения длины примерно до 2 световых лет за 2 года. Из-за высокой скорости пространственно-временной интервал (и его собственное время) сократился до ок. 2 года. Когда он возвращается на Землю через 2001 год, ему исполнилось всего 2 года (так называемый парадокс близнецов).
Пространственно-временной интервал фотонов сводится к нулю, это означает, что они не путешествуют в пространстве-времени, их импульс передается непосредственно из одного места в другое. Единственный наблюдаемый след, который они оставляют в пространстве-времени, — это электромагнитная волна, движущаяся со скоростью света c. Наблюдаемая электромагнитная волна говорит нам, что на своем месте пространство-время сокращено до нуля, чтобы передать импульс. Этот факт согласуется со вторым постулатом относительности Эйнштейна, который не говорит о том, что свет движется в точке c, но этот свет наблюдается любым наблюдателем как движущийся в точке c.
