Czytałeś w dzieciństwie bajki? Z pewnością tak. Przypomnij sobie: „toczy się złote jabłuszko po srebrnym talerzyku", i bohater bajki widzi „góry wysokie, morza głębokie" i wiele innego, co odbywa się za "siedmiu górami i siedmiu lasami". Co ci przypomina to urządzenie z bajki? W tym, prawdopodobnie, i komórkowy Internet. O tym, jakie odkrycia w fizyce pozwoliły wynaleźć taką „bajkową" rzecz, dowiesz się w tym paragrafie.
Dowiadujemy się o polu elektromagnetycznym
Najpierw przypominamy: istnieją dwa rodzaje materii - substancja i pole. Obydwa istnieją w rzeczywistości, a nie są „modelem”, za pomocą którego wyjaśnia się te czy inne zjawiska fizyczne.
W zeszłym roku dowiedziałeś się o polu elektrycznym, w tym roku - o polu magnetycznym. Wyjaśniłeś, że zmienne pole magnetyczne nie tylko działa na ruchomo naładowane cząstki i namagnesowane ciała, a także wytwarza pole elektryczne. Taki wniosek w pewnym czasie wyciągnął Michael Faraday.
Stosując zasadę symetrii, wybitny fizyk angielski James Maxwell (rys. 19.1) wysunął potwierdzoną z czasem hipotezę o tym, że nie tylko zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne, a i zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. Odpowiednio do tej hipotezy pola elektryczne i magnetyczne zawsze istnieją razem i nie ma sensu rozpatrywać je jako osobne obiekty. Czyli istnieje jedyne pole elektromagnetyczne, a pola elektryczne i magnetyczne to dwie części składowe pola elektromagnetycznego.
Pole elektromagnetyczne - rodzaj materii, za pomocą której zachodzi wzajemne oddziaływanie pomiędzy naładowanymi ciałami i cząstkami oraz ciałami namagnesowanymi.
Niektórzy z was mogą nie zgadzać się z wnioskiem Maxwella, ponieważ dobrze wiadomo, że na przykład, obok nieruchomego ciała naładowanego istnieje tylko pole elektryczne, a obok nieruchomego trwałego magnesu — tylko pole magnetyczne. Jednak przypomnij sobie: ruch i spoczynek zależą od wyboru układu odniesienia.
Wyobraź sobie, że trzymając w ręku naładowaną kulkę idziesz w kierunku do swego kolegi. Jeżeliby człowiek mógł zawsze odczuwać pole elektromagnetyczne, to w tym przypadku „zobaczyłbyś” tylko jedną jego część składową - pole elektryczne, tak jak względem ciebie ładunek jest nieruchomy. Wówczas twój kolega „zobaczyłby” i pole elektryczne, i magnetyczne, ponieważ względem niego ładunek porusza się i pole elektryczne zmienia się (patrz rys. 19.2).
Jeżeli twój kolega weźmie magnes i poniesie go w kierunku od ciebie (patrz rys. 19.3), kto z was „zobaczy” tylko pole magnetyczne, a kto — i magnetyczne, i elektryczne?
Zatem twierdzenie, że w danym punkcie istnieje tylko elektryczne (czy tylko magnetyczne) pole, nie ma sensu, o ile nie jest wskazany układ odniesienia. Jednocześnie nigdy nie znajdziemy układu odniesienia, względem którego zniknęłyby obie części składowe pola elektromagnetycznego, ponieważ pole elektromagnetyczne jest materialne.
Stwarzamy fale elektromagnetyczne
Analizując wszystkie znane na ten czas prawa elektrodynamiki, J. Maxwell otrzymał fantastyczny na ten czas teoretyczny matematycznie opisany wniosek: w przyrodzie powinny istnieć fale elektromagnetyczne.
Fala elektromagnetyczna - to rozchodzenie się w przestrzeni zmiennego pola elektromagnetycznego.
Spróbuj wyobrazić sobie, jak powstaje i rozchodzi się fala elektromagnetyczna. Weź przewodnik, w którym płynie prąd zmienny (rys. 19.4). Jak wiadomo, obok dowolnego przewodnika z prądem istnieje pole magnetyczne. Pole magnetyczne, wytworzone przez prąd zmienny również jest zmienne. Zgodnie z teorią Maxwella zmienne pole magnetyczne powinno wytwarzać pole elektryczne, które również będzie zmienne. Zmienne pole elektryczne wytwarza zmienne magnetyczne itd. Otrzymamy zatem rozchodzenie się drgań pola elektromagnetycznego - falę elektromagnetyczną (rys. 19.5). Częstotliwość v tej fali równa się częstotliwości, z którą zmienia się natężenie prądu w przewodniku, a przewodnik ze zmiennym prądem jest źródłem fali elektromagnetycznej.
Podobnie jak fala mechaniczna może oderwać się od swego źródła (przypomnij sobie rozchodzenie się fali od rzuconego do wody kamyka), fala elektromagnetyczna również może oderwać się od swego źródła i zacząć samodzielnie rozchodzić się w przestrzeni.
Ciekawe jest to, że niektóre fale elektromagnetyczne „podróżują” we Wszech-świecie prawie od początku swego istnienia.
Zgodnie z teorią Maxwella, źródłem fali elektromagnetycznej może być dowolna naładowana cząstka poruszająca się z przyspieszeniem (czyli cząstka, która ciągle zmienia prędkość swego ruchu lub według wartości, lub według kierunku, lub jednocześnie - i według wartości, i według kierunku). Jeżeli cząstka jest nieruchoma lub porusza się ze stałą prędkością, obok niej istnieje pole elektromagnetyczne, lecz fali elektromagnetycznej cząstka nie wypromieniowuje.
Promieniowanie fal elektromagnetycznych towarzyszy niektórym procesom zachodzącym w środku cząsteczek, atomów, jąder atomów (teoria takich procesów -kwantowa teoria - została stworzona w XX w.).
Opisujemy cechy fali elektromagnetycznej
Fala elektromagnetyczna, podobnie do mechanicznej, charakteryzuje się częstotliwością (v), długością (λ) i prędkością rozchodzenia się (v). Podobnie jak w przypadku z falami mechanicznymi, dane wielkości łączy wzór fali:
Jednak, w odróżnieniu od fal mechanicznych, do rozchodzenia się falom elektromagnetycznym nie jest potrzebny ośrodek. Odwrotnie, najlepiej i najszybciej elektromagnetyczne fale rozchodzą się w próżni. J. Maxwell teoretycznie obliczył prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni i ze zdziwieniem odkrył, że otrzymana wartość zgadza się z wartością prędkości światła w próżni (na ten czas zmierzona doświadczalnie):
J. Maxwell wysunął prawdziwe i śmiałe na ten czas przypuszczenie: światło jest odmianą fali elektromagnetycznej (rys. 19.6). Uczony nie tylko ujawnił naturę światła, lecz przewidział istnienie i właściwości różnych rodzajów fal elektromagnetycznych.
W próżni - i wyłącznie w niej - wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się z jednakową prędkością (c), dlatego dla próżni długość i częstotliwość fali elektromagnetycznej związane są wzorem:
Podczas przejścia z jednego ośrodka do innego prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zmienia się, zmienia się również i długość fali, a częstotliwość pozostaje stała. W powietrzu prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych jest prawie taka sama jak i w próżni.
Po 15 latach od stworzenia teorii elektromagnetycznego pola Maxwella potwierdzono doświadczalnie:
Heinrich Herz (rys. 19.7) zaprezentował wypromienio-wanie i odbieranie fal elektromagnetycznych. Herz nie tylko otrzymał fale elektromagnetyczne, również zbadał ich właściwości. Ustalił, że fale elektromagnetyczne:
• odbijają się od ciał przewodzących (kąt odbicia równa się kątowi padania);
• załamują się na granicy z dielektrykiem;
• częściowo są pochłaniane przez substancję i częściowo są rozpraszane przez nią i in.
Wszystkie te zjawiska uwarunkowane są działaniem pola elektromagnetycznego na naładowane cząstki w substancji. Jeżeli fala elektromagnetyczna pada na powierzchnię metalu, to na swobodne elektrony działa zmienne pole elektryczne (elektryczna część składowa fali elektromagnetycznej). Na skutek tego działania w powierzchniowej warstwie metalu powstają zmienne prądy elektryczne, które z kolei promieniują odbitą falę elektromagnetyczną.
Podsumowanie
Wzajemne oddziaływanie cząstek naładowanych odbywa się za pomocą pola elektromagnetycznego. Elektromagnetyczne pole ma dwie części składowe -elektryczną składową (pole elektryczne) i magnetyczną składową (pole magnetyczne): zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne, a zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne.
Rozchodzenie się w przestrzeni zmiennego pola elektromagnetycznego nazywamy falą elektromagnetyczną. Prędkość rozchodzenia się fali, jej długość i częstotliwość są związane ze sobą wzorem fali: ν-λν. Najlepiej i najprędzej fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni. Prędkość rozchodzenia się elektromagnetycznych fal w próżni jest jednakowa dla dowolnych elektromagnetycznych fal i równa się prędkości światła c = 3 108 m/s. Światło również jest falą elektromagnetyczną. Dla próżni wzór fali zapisuje się w postaci: c = hv.
Pytania kontrolne
1. Na czym polega hipoteza J. Maxwella? 2. Podaj definicję pola elektromagnetycznego, wymień jego części składowe. 3. Podaj przykłady potwierdzające względność pól elektrycznego i magnetycznego. 4. Jak powstaje fala elektromagnetyczna? Jakie obiekty mogą ją promieniować? Jakie wielkości fizyczne charakteryzują falę elektromagnetyczną? 5. Jak są one powiązane ze sobą? 6. Jakie właściwości fal elektromagnetycznych ustalono podczas doświadczeń H. Herza?
Ćwiczenie nr 19
1. Elektromagnes dźwigu jest zasilany prądem stałym. Określ:
1) w jakim przypadku elektromagnes wytwarza dla operatora dźwigu zarówno elektryczne pole jak i magnetyczne: a) elektromagnes jest nieruchomy; h) elektromagnes przenosi ładunek;
2) w jakich przypadkach elektromagnes promieniuje fale elektromagnetyczne: a) w momencie zamykania obwodu; b) w momencie rozerwania obwodu; c) gdy elektromagnes, poruszając się jednostajnie, przenosi ładunek; d) gdy nieruchomy elektromagnes trzyma ładunek.
2. Wypełnij tabelę zakładając, że fale rozchodzą się w powietrzu.
3. Według danych rys. 19.6 oblicz długości elektromagnetycznych fal dla światła o fioletowej i czerwonej barwie. Rozpatrz dwa przypadki: światło rozchodzi się a) w próżni; b) w szkle (współczynnik załamania szkła dla światła czerwonego wynosi 1,64, a dla światła fioletowego — 1,67).
4. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się o wynalezieniu radia. Przygotuj krótką informację.
5. Łódź kołysze się na falach w morzu. Fale rozchodzą się z prędkością 12 m/s; długość fali 24 m. Oblicz częstotliwość uderzeń fal o łódź. Ile wynosi czas pomiędzy uderzeniami fal?
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar