Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Будь-яка механічна хвиля вимагає існування пружного середовища, в якому вона поширюється. Хвиля навіть визначається як деформація середовища, що переміщається.
Акустична хвиля, що являє собою згущення і розрідження молекул середовища (повітря, рідини або твердого тіла), що переміщається, не може поширюватися у вакуумі. Саме тому в космосі не чути жодного звуку, навіть вибуху наднової. У космосі панує тиша.
А як щодо світла? Звісно, світло поширюється у вакуумі. Він досягає нас із дуже далеких галактик. Проте з космосу до нас доходить не тільки світло, а й інші види електромагнітних хвиль (радіохвилі, інфрачервоні, рентгенівські, гамма-промені тощо).д.). Сьогодні ми знаємо, що електромагнітна хвиля не вимагає жодного середовища для свого поширення. Механізм його поширення не залежить від деформації пружного середовища.
У скляній банці знаходиться електричний дзвінок (див. малюнок 1). У міру викачування повітря з банки звучання стає все тихішим, поки не стає зовсім нечутним, що є експериментальним доказом того, що звукова хвиля потребує середовища. Світло, з іншого боку, поширюється як у повітрі, так і у вакуумі - зображення дзвінка не зникає, коли ми відкачуємо повітря.
Мал. 1. У скляній колбі знаходиться електричний дзвінок
Помилкова теорія (гіпотеза) ефіру
Однак сам автор концепції електромагнітних хвиль не уявляв собі хвилі без середовища і створив гіпотетичне середовище - ефір. Про недоліки цієї гіпотези і про те, як електромагнітна хвиля «справляється» без середовища, ви можете прочитати в цій статті.
Іноді ви можете почути, як радіожурналіст каже: «програма пішла в ефір» або «в ефір». Це повний анахронізм і, ще гірше, це неправда. Не існує такого поняття, як ефір, який є середовищем, у якому має поширюватися електромагнітна хвиля. Цей ефір повинен мати неймовірні властивості.
Ну, швидкість електромагнітної хвилі величезна=300 000 км/с. У механіці доведено, що чим більша швидкість хвилі, тим більш пружною (жорсткою) є середовище і тим легше це середовище. Таким чином, ефір повинен бути в тисячі разів еластичнішим за найкращу сталь, але в той же час мати надзвичайно низьку щільність.
Далі: в пружному середовищі, у якому поширюються поперечні хвилі, можуть поширюватися і поздовжні хвилі (зазвичай із різними швидкостями), тобто. акустичні хвилі. Однак ефір має бути таким, щоб у ньому не могли поширюватися поздовжні хвилі. Більше того, цей ефір мав би заповнити весь Всесвіт.Зокрема – область Сонячної системи. Ми не помічаємо, що ефір (неймовірно жорсткий матеріал) перешкоджав би руху Землі та інших планет.
Справжнім цвяхом у кришку труни для гіпотези ефіру стала спеціальна теорія відносності Ейнштейна (1905). І експеримент Майкельсона-Морлі (1887), який був проведений незалежно від нього і дав негативний результат: не було виявлено «ефірний вітер», який, якби ефір існував і заповнював простір космосу, дув би на Землю через рух Землі навколо Сонця .
Це призвело б до відмінностей швидкості світла, виміряної в різних напрямках. Жодних відмінностей у швидкості світла був виявлено (при вимірах, проведених з великою точністю) не більше похибки вимірів 5 км/с. Отже, ефірний вітер не було виявлено. Вченим довелося змиритися із цим – ефіру просто не існує. Давайте перейдемо до більш важливих питань.
Механізм поширення електромагнітних хвиль
Електромагнітна хвиля - це обурення електромагнітного поля, що поширюється.
Але як це уявити? Можливо, тут допоможе малюнок 2, на якому показані лінії електричного поля, що виходять від точкового електричного заряду, який у якийсь момент був переміщений у нове положення.
Мал. 2. Лінії електричного поля, що виходять від точкового електричного заряду
Тут ми бачимо «старі» лінії поля, які починаються у вихідному положенні електричного заряду. Цю позицію можна знайти щодо продовження ліній, що виходять за межі малюнка. Ви побачите, що електричний заряд був трохи піднятий від свого нинішнього становища. Лінії поля, які ви бачите біля електричного заряду, це нове електростатичне поле. Внаслідок руху електричного заряду вниз існуюче поле було порушено. Ми можемо бачити це у вигляді заломлених ліній поля. Заломлені лінії - обурення поля поширюється через простір зі швидкістю світла до нескінченності, щоб "перебудувати" електричне поле на його нинішню форму.
Який механізм поширення цього обурення? Ми бачимо тут іншого компонента електромагнітного поля - магнітного поля. Але воно явно є. Його створення є наслідком законів Максвелла. Коли електричний заряд починає рухатися, електричне поле починає змінюватись, і це викликає навколо нього вихрове магнітне поле. Лінії магнітного поля утворюють кола, що розширюються, з центрами на лінії руху електричного заряду. Це магнітне поле також змінюється (адже воно з'явилося); а раз так, то воно генерує навколо себе електричне поле, що обертається. І таким чином, взаємно породжуючи одне одного, обидва поля йдуть у нескінченність, несучи з собою обурення, або «корекцію» електричного поля.
Описана тут електромагнітна хвиля називається хвильовим імпульсом. Зауважте, що він створюється електричним зарядом, який перемістився в нове місце - тому він повинен був прискоритися, а потім сповільнитися. Виявляється, електромагнітна хвиля завжди породжується електричним зарядом, що рухається із прискоренням (як у цьому випадку).Зокрема, електричний заряд може коливатись або рухатися по колу. Тоді, якщо рух електричного заряду періодичний, то й хвиля теж періодична.
Форму таких хвиль у вигляді ліній напруженості електричного поля показано на рис. 3 та рис. 4. Аналогом обговорюваного імпульсу електромагнітної хвилі в акустиці є хвиля, що виникає, наприклад, при бавовні в долоні. Або в загальному випадку - одноразове відхилення від рівноважного стану будь-якої точки пружного середовища.
Мал. 3. Вертикальні гармонічні коливання заряду створюють хвилю, подібну до радіохвилі, джерелом якої є диполь, що коливається
Мал. 4. Джерелом такої хвилі є заряд, що рухається по колу. Для релятивістських швидкостей заряду (порівняних зі швидкістю світла у вакуумі) така хвиля називається синхротронним випромінюванням
Якщо джерело кожного типу хвилі коливається гармонійно, то виходить хвиля, що періодично змінюється - гармонійна хвиля.У зв'язку з цим і для цього типу електромагнітних хвиль ми можемо визначити частоту і довжину хвилі, описати їх взаємозв'язок відомим способом: λ=с / f.