Электромагнитная природа света

Электромагнитная природа света

Открытие взаимосвязи полей позволило по-иному увидеть многие из явлений природы. Но прежде чем рассказать об этом, напомним весьма кратко о волновых процессах в физиче­ских телах.

Всем известно, как создаются звуковые вол­ны в воздухе. Вы хлопаете в ладоши, воздух уплотняется, и благодаря его объемной упру­гости уплотнение распространяется во все сто­роны. Скорость распространения зависит от свойств и состояния среды — от давления, плотности, теплоемкости. При распростране­нии звуковой волны частицы воздуха приходят в движение — колеблются около положения равновесия по направлению распространения волны. Звуковые волны в воздухе называют продольными.

То же можно сказать и о распространении волн в жидкости: скорость распространения определяется физическими свойствами и состоя­нием среды, и прежде всего ее упругостью и плотностью.

В твердых же телах благодаря их упругости при растяжении, сжатии, сдвиге и кручении можно создавать и продольные и поперечные волны; скорость распространения волн опре­деляется величиной упругости и плотностью твердого тела.

Таким образом, физическое содержание вол­нового процесса заключено в распространении местного возмущения среды (газо­образной, жидкой или твердой) во все стороны благодаря тому или иному виду упругости.

Теперь вернемся к электромагнитному полю и к уравнениям Максвелла. Математические преобразования этих уравнений приводят к вы­воду, что даже в вакууме, т. е. в пространстве, где нет вещества в привычных для нас формах, распространяется электромагнитное возмуще­ние. Изменяющийся поток индукции возбужда­ет вихревое электрическое поле; оно, изменяясь,

в свою очередь возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку прост­ранства за другой и распространяется во все стороны от места своего возникновения. Рас­пространяющееся электромагнитное поле назы­вается электромагнитной волной.

Из уравнений, описывающих этот процесс, следует, что электромагнитное поле распростра­няется в вакууме не с бесконечной скоростью, так как она выражена через электрическую постоянную вакуума ε₀ и магнитную посто­янную вакуума µ₀:

Подставив значения постоянных

                                                        с = 3•10⁸ м/сек.

Если распространение происходит в какой-либо среде, то скорость зависит от относитель­ной диэлектрической и магнитной проницае­мости среды ε и µ:

Сейчас мы спокойно относимся к тому, что электромагнитное поле распространяется со ско­ростью в 300 000 000 м/сек, но в свое время эта величина произвела ошеломляющее впеча­тление на весь ученый мир. Она была не­сравнима ни со скоростью распространения упругих волн в воздухе, т. е. звука (330 м/сек), ни со скоростью их распространения в воде (1500 м/сек), ни со скоростью их распростране­ния в твердом теле (5000 м/сек). Все эти волны наблюдали не раз, не раз вычисляли их ско­рости, но волны Максвелла никто не наблю­дал — они появились из уравнений, среди кото­рых только уравнение электромагнитной ин­дукции считалось достоверным, а второе урав­нение вытекало лишь из гипотезы.

С другой стороны, в ту пору была известна одна скорость, которая совпадала со скоростью волн Максвелла. Это — скорость света. Фран­цузские физики И. Физо (в. 1849 г.) и Ж. Фуко (в 1850 г.) измерили скорость света в земных условиях и получили результат, весьма близ­кий к 300000000 м/сек. Что же касается природы света, то общепризнанным было представление о нем как об упругих волнах, распростра­няющихся в особой среде (эфире), которая за­полняет весь мир и проникает во все тела.

Очевидное совпадение величин дало Мак­свеллу повод предположить, что свет обладает электромагнитной природой. Другим поводом для этого послужило открытое в 1846 г. Фара­деем явление: плоскость поляризации света вращается в магнитном поле.

Современники не приняли предположение Максвелла. Они требовали экспериментов, ко­торые подтвердили бы тождественность электро­магнитных и световых волн. В то время опыт уже считался единственным критерием истины.

В 1880 г. А. Майкельсон приступил к гран­диозным экспериментам в измерении скорости света. Метод измерения он совершенствовал поч­ти полвека и в 1927 г. получил наиболее точный, бесспорный результат (299 796±4 км/сек). Про­фессор Московского университета Н. А. Умов примерно в то же время пришел к выводу, что от источника упругая волна несет с собой в пространство энергию. Теоретические выводы Умова позволили голландскому ученому Пойтингу вычислить поток плотности энергии в электромагнитной волне. Тогда же казанский профессор Д. А. Гольдгаммер вычислил давление, которое должна была бы производить электро­магнитная волна при падении на преграду.

Однако никто не проводил опыты с электро­магнитными волнами, так как не известно было, как эти волны получать. Сталкиваясь на каж­дом шагу с этими волнами (при электрическом разряде, при включении цепей тока и т. д.), физики не связывали эти явления с работами Максвелла.

Но вот в 1889 г. немецкий физик Генрих Герц завершил блестящую серию опытов с не­известным до того излучением, которое испу­скалось разрядником, соединенным с катушкой Румкорфа. Излучение хорошо принималось аналогичной системой.

Волновой характер излучения был прове­рен на таких известных свойствах упругих волн, как отражение, преломление, интерфе­ренция и дифракция. Эти опыты были прове­дены русским физиком П. Н. Лебедевым. Он же измерил величину давления света. Этот эксперимент завершил всю серию исследова­ний, доказавших электромагнитную природу света.

Результаты опытов совпали с теорией Мак­свелла. Это доказывает, что излучение, откры­тое Герцом, не что иное, как электромагнитные волны, а свет — электромагнитные волны, воспри­нимаемые органами зрения.

• ЗАКОНЫ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО  ПОЛЯ   

• Новое содержание закона электромагнитной индукции 
• Электромагнитная природа света  
• Полная система уравнений Максвелла