Электромагнитная природа света. Скорость света

Электромагнитная теория
Исследования Майкла Фарадея продолжил его соотечественник Джеймс Клерк Максвелл.
Переложив на язык высшей математики все известные к тому времени факты об электрических и магнитных явлениях, Максвелл
обнаружил, что полученная
им система уравнений имеет только
«нулевое» решение, соответствующее
отсутствию электрических зарядов и
полей - электрического и магнитного.

Электромагнитная теория
Тогда Максвелл предположил, что магнитное поле создается также переменным электрическим полем. И в результате он получил систему уравнений, которая правильно описывала все известные электромагнитные явления.
Эти уравнения называют сегодня уравнениями Максвелла. Они играют в электромагнетизме такую же ключевую роль, какую законы Ньютона играют в механике.
Объединив электрическое и магнитное поля в общую систему уравнений, Максвелл ввел понятие единого электромагнитного поля.

Основные положения теории Максвелла

Предсказание Максвелла
Из теории Максвелла следовало предсказание, чрезвычайно взволновавшее ученого. Именно оно и стало главным следствием его теории:
- переменные электрическое и магнитное поля могут отделиться от электрических зарядов и пуститься в «самостоятельное плавание» в виде электромагнитных волн -распространяющихся в пространстве возмущений электромагнитного поля.
Существование электромагнитных волн и было главным предсказанием теории Максвелла.

Предсказание Максвелла
Он смог даже теоретически вычислить скорость распространения этих волн, использовав только экспериментальные данные о взаимодействии электрических зарядов и электрических токов. Полученный «на кончике пера» результат поразил ученого: скорость электромагнитных волн совпала с уже измеренной к тому времени скоростью света!
Удивление ученого и его волнение были связаны с тем, что до той поры световые явления никак не связывали с электрическими и магнитными.
Однако любая - даже самая красивая - научная теория требует подтверждения на эксперименте. А подтвердить существование электромагнитных волн на опыте долгое время не удавалось.

Подтверждение на опыте существования электромагнитных волн
Сторонниками теории Максвелла были в основном английские физики (может быть, отчасти потому, что сам Максвелл был англичанином).
Немецкие же физики придерживались теории, согласно которой электрические и магнитные явления обусловлены действием на расстоянии (дальнодействием).
И немецкий физик Генрих Герц решил поставить опыт с целью опровергнуть теорию Максвелла.

В узком промежутке незамкнутого контура с помощью высокого напряжения возбуждалась искра (см. рис. ).
Если бы электромагнитные волны существовали, они должны были бы, распространившись в пространстве, «зажечь» искру во втором контуре, не соединенном с первым.
Герц предполагал, что искры во втором контуре не будет. Но опыт показывал, что искра во втором контуре неизменно следует за искрой в первом!
А это означало, что
электромагнитные волны
действительно существуют.
.

Распространение э.м. волн
Максвелл 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.

Чем излучаются э.м. волны?
Как следует из теории Максвелла и подтверждается опытом, электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами.
Например, колебания электронов в Солнце и звездах рождают электромагнитные волны, которые, пройдя огромные расстояния, действуют на электроны в атомах наших глаз.
Если заряженная частица совершает колебания, то излучаемые этой частицей электромагнитные волны имеют частоту, равную частоте колебаний частицы.

Направление электрического и магнитного полей в электромагнитной волне.
Если заряженная частица, являющаяся источником электромагнитных волн, совершает гармонические колебания, то на большом расстоянии от нее электрическое и магнитное поля представляют собой гармонические волны.
На рис. схематически изображена «мгновенная фотография» электромагнитной волны, то есть зависимость от координат В каждой точке пространства, сквозь которое движется электромагнитная волна, модуль напряженности электрического поля прямо пропорционален модулю индукции магнитного поля, а направлены эти векторы под прямым углом друг к другу.
Гребни электромагнитной волны перемещаются в пространстве со скоростью света С