Поляризация волн – это нарушение осевой симметрии распределения возмущений (например, смещений и скоростей в механической волне или напряжённостей электрических и магнитных полей в электромагнитных волнах) в поперечной волне относительно направления её распространения. Наибольшее значение поляризация имеет в случае электромагнитных волн оптического диапазона.
Вопрос 28. Электромагнитная картина мира (ЭМКМ): основные экспериментальные законы электромагнетизма.
Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции (…два куска янтаря («электрон»), потертые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают мелкие предметы…). Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.
Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во 2 веке до нашей эры использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13 веке. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 году Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.
18-й век, ознаменовавшийся становлением МКМ, фактически положил начало и систематическим исследованиям электрических явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18 века была установлена электрическая природа молнии (исследования Б.Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения + и – для зарядов).
В 1759 году английский естествоиспытатель Р.Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.
В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10-19Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 году Дж.Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массу moe=9,1×10-31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.
В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 веках был получен ряд важнейших законов.
Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. (Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.
Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:
,
где e – относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10-15м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к :.
Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 веке, замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля. Начало этому было положено в работах М.Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность
.
Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал j.
Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19 века, а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 году датский физик Х.Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.
Электродинамика. В течение сентября 1820 года французский физик, химик и математик А.М.Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.
Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г.Омом (в 1826 году) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r), а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUt.
Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 году поставил задачу «…превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции.
Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции
ЭДСi = k×DФm/Dt,
где DФm/Dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур).
С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд М.Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».
Работая над исследованием электромагнитной индукции, М.Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 году, он высказывает идею об электромагнитной природе света.
Одним из первых, кто оценил работы М.Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 году теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).
Вопрос 29. Электромагнитная картина мира (ЭМКМ): теория электромагнитного поля Д.Максвелла.
Концепция силовых линий, предложенная М.Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что М.Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах – сказал о нем А.Эйнштейн).
Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.
Теорию поля Дж.Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые, по словам Герца, «…составляют суть теории Максвелла».
Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике – этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.
Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)
Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из четырёх уравнений, которые эквивалентны следующим утверждениям.
Уравнение
Утверждение
div E ~ q
Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона.
div H = 0
Магнитные заряды не существуют.
Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток.
Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.
Вершиной научного творчества Дж.Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».
После появления уравнений Дж.Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления – поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.
Сделав это открытие, Дж.Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра – от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр – единица длины, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей, 1 нм = 10–9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. На основе своей теории Дж.Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 году П.Н.Лебедевым.
Для распространения света характерны такие проявления волновых процессов, как интерференция, дифракция и поляризация. Важное значение имеет и такое явление, как дисперсия.
,
.
. В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.
