Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн. Плотность потока электромагнитного излучения

Джеймс Клерк Максвелл предсказал существование электромагнитных  волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.

Развивая идеи Майкла Фарадея, который предположил наличие электромагнитных волн в 1832 году, Максвелл создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, выдвинул идею электромагнитной природы света.
 Электромагнитная волна образуется в результате взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля приводит к появлению другого. Независимо от примеров действия в каждой исследуемой точке пространства и в каждый момент времени электромагнитное поле можно описать двумя основными векторами: это вектор, характеризующий наличие электрического поля (е) и вектор магнитного поля (бэ) .
Для образования электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Циклическая частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость С контура.

Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В обычном контуре, какой изображен на рисунке (его можно назвать закрытым), почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо изучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Генрих Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Вибратор представлял собой прямолинейный проводник с небольшим воздушным промежутком посредине. Благодаря такому промежутку можно было сообщить двум половинам вибратора значительные заряды. Когда разность потенциалов достигала определенного предельного значения, в воздушном зазоре возникал пробой (проскакивала искра) и электрические заряды через ионизированный воздух могли перетекать с одной половины вибратора на другую. В открытом контуре возникали электромагнитные колебания. Чтобы быстропеременные токи существовали только в вибраторе и не замыкались через источник питания, между вибратором и источником включались дроссели.

Высокочастотные колебания в вибраторе существуют, пока искра замыкает промежуток между его половинами. Затухание таких колебаний в вибраторе происходит в основном не за счет джоулевых потерь на сопротивлении (как в закрытом колебательном контуре), а за счет излучения электромагнитных волн.

Для обнаружения электромагнитных волн Герц применял второй (приемный) вибратор. Под действием переменного электрического поля приходящей от излучателя волны электроны в приемном вибраторе совершают вынужденные колебания.

Эти колебания Герц обнаруживал по проскакиванию искры в микроскопическом зазоре в середине приемного вибратора или по свечению миниатюрной газоразрядной трубки, включенной между половинами вибратора.

Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства — поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п.
На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.
Совпадение скорости электромагнитных волн с измеренной задолго до их открытия скоростью света послужило отправным пунктом для отождествления света с электромагнитными волнами и создания электромагнитной теории света.
Электронная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле волны не связано с источником. Этим электромагнитная волна отличается от статических электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника. 
Опытами Герца были блестяще подтверждены предсказания Максвелла.
Для излучения электромагнитных волн нужно создать электромагнитные колебания высокой частоты в открытом колебательном контуре. Плотность потока электромагнитного излучения.
Как мы уже знаем, волна характеризуется переносом энергии. Следовательно, электромагнитные волны тоже несут с собой энергию. Рассмотрим некоторую поверхность площадью S. Положим, что через нее электромагнитные волны переносят энергию.

Линиями обозначены направления распространения электромагнитных волн. Линии, перпендикулярные поверхности, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах, называются лучами. А эти поверхности называются волновыми поверхностями.

Плотность потока электромагнитного излучения – это отношение электромагнитной энергии ∆W, проходящей через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, за время ∆t, к произведению S на ∆t.

I = ∆W/(S*∆t)

Единицей измерения плотности магнитного потока в системе СИ являются ватты на квадратный метр (Вт/м^2). Выразим плотность потока через скорость его распространения и плотность электромагнитной энергии.

Возьмем поверхность S, перпендикулярную лучам. Построим на ней цилиндр с основанием c*∆t.

Здесь c– скорость распространения электромагнитной волны. Объем цилиндра вычисляется по формуле:
∆V = S*c*∆t.
Энергия электромагнитного поля, сосредоточенного внутри цилиндра, будет вычисляться по следующей формуле:
Здесь ω - плотность электромагнитной энергии. Эта энергия за время ∆t пройдет через правое основание цилиндра. Получаем следующую формулу:
I = (ω*c*S*∆t)/(S*∆t) = ω*c.
Энергия по мере удаления от источника будет уменьшаться. Будет верна следующая закономерность зависимости плотности тока от расстояния до источника. Плотность потока излучения, направленного от точечного источника, будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния до источника. 

Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. При этом напряженность электрического поля и вектор магнитной индукции электромагнитной волны будут прямо пропорциональны ускорению частиц.
Если рассматривать гармонические колебания, то ускорение будет прямо пропорционально квадрату циклической частоты. Полная плотность энергии электромагнитного поля будет равняться сумме плотности энергии электрического поля и энергии магнитного поля.

Согласно формуле I = ω*c плотность потока пропорциональна полной плотности энергии электромагнитного поля.

Учитывая всё вышесказанное, имеем:

I~ ω ~(E2 +B2).

Так как согласно выражениям

E~ ω2 и B~ ω2, то I~ ω4

Следовательно, плотность потока излучения будет прямо пропорциональна четвертой степени циклической частоты.