Если по проводу проходит переменный ток, то вокруг провода возникают переменные электрическое и магнитное поля, образующие вместе электромагнитное поле, представляющее собой особый вид материи.
Электромагнитное поле, движущееся в пространстве, иначе называется электромагнитной волной. Радиоволны являются именно такими электромагнитными волнами.
Раздельно друг от друга переменные электрическое и магнитное поля существовать не могут. Всякое изменение электрического поля вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот, всякое изменение магнитного поля вызывает появление переменного электрического поля. Нельзя называть электромагнитным полем постоянные электрическое и магнитное поля, существующие одновременно в каком-либо месте пространства. В этом случае оба поля самостоятельны и не имеют взаимодействия между собой. А электромагнитное поле является сочетанием равноправных переменных электрического и магнитного полей, взаимодействующих друг с другом, как бы поддерживающих друг друга.
Электромагнитное поле всегда движется в пространстве со скоростью, равной
где (Эпсилон — ε ) и (μ) — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, заполняющей данное пространство, а с — скорость распространения электромагнитного поля в безвоздушном пространстве, составляющая 300 000 км/сек. Для воздуха можно считать (Эпсилон — ε ) = 1, (мю — μ ) = 1 и тогда V = с.
Взаимная связь между переменными электрическим и магнитным полями объясняет причину движения электромагнитного поля в пространстве. Изменения электрического поля создают в окружающем пространстве магнитное поле, которое не остается постоянным, а меняется, так как меняется создавшее его электрическое поле.
Но изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, которое тоже изменяется и создает опять магнитное поле и т. д. Таким образом, электромагнитное поле представляет колебательный процесс, захватывающий все новые части пространства. При своем распространении электромагнитное поле теряет связь с проводом, вокруг которого оно первоначально создалось. Можно выключить ток в проводе, но электромагнитная волна будет продолжать свое движение в пространстве.
Электромагнитные волны несут с собой энергию, полученную от тока в проводе. Радиоволны распространяются от провода с переменным током во все стороны подобно лучам света, которые также являются одним из видов электромагнитных волн. Принято говорить, что провод с переменным током излучает электромагнитные волны в пространство. Чем больше мощность переменного тока в проводе, тем больше энергия излучаемых волн. Еще сильнее зависит эта энергия от частоты. При повышении частоты в 2, 3, 4 и т. д. раза энергия излучаемых волн возрастает соответственно в 4, 9, 16 и т. д. раз, т. е. она пропорциональна квадрату частоты. Эффективное излучение электромагнитных волн возможно только в случае, когда длина провода соизмерима с длиной волны.
Низким частотам соответствуют очень длинные волны; например, переменному току электрической сети, имеющему частоту 50 гц, соответствует длина волны 6 000 000 м, или 6000 км. Таким образом, излучение на этой частоте может быть эффективным только при длине провода в сотни и тысячи километров. Отсюда ясно, что при сравнительно небольшой длине проводов токи низкой частоты практически дают ничтожное излучение электромагнитных волн по сравнению с токами высокой частоты. Для получения мощного излучения и передачи электромагнитных волн на большие расстояния необходимо применять токи высокой частоты порядка сотен тысяч и миллионов герц.
Электромагнитные волны свободно распространяются в безвоздушном пространстве. Но было бы неправильно считать, что электромагнитные волны есть движение энергии в пустоте, так как в природе нет пустоты и нет энергии без материи. В свете последних достижений науки можно утверждать, что электромагнитные волны представляют собой движущуюся материю.
В прошлом некоторые ученые предполагали, что все безвоздушное пространство и все промежутки между частицами обычных веществ заполнены особым видом материи — «мировым эфиром», а электромагнитные волны являются колебательным процессом в этом мировом эфире. Современная физика отвергла существование мирового эфира, однако до сих пор иногда Условно говорят, что радиостанция излучает волны «в эфир», что радиоволны распространяются «в эфире» и т. д.
Рассмотрим подробнее некоторые свойства электромагнитного поля и составляющих его электрического и магнитного полей. В электромагнитном поле электрические и магнитные силовые линии взаимно-перпендикулярны. Магнитные силовые линии являются замкнутыми, охватывающими либо проводник с током, либо переменное электрическое поле. Электрические силовые линии либо идут от одного электрического заряда к другому, либо представляют собой замкнутые линии, охватывающие переменное магнитное поле. Магнитные силовые линии у поверхности проводника с током параллельны этой поверхности. Электрические силовые линии не могут идти около поверхности идеального проводника вдоль нее, а всегда перпендикулярны к этой поверхности. Последнее свойство требует пояснения. Если имеется идеальный проводник, не обладающий сопротивлением, то при прохождении тока в нем не образуется падения напряжения. Все ети точки имеют один и тот же потенциал. Значит, вдоль его поверхности электрические силовые линии идти не могут, так как они всегда проходят через точки с разными потенциалами.
Два последних свойства определяют структуру электромагнитного поля около поверхности проводника, т. е. на границе между проводником и окружающим его пространством. Поэтому их называют граничными условиями.
Электромагнитное поле вблизи поверхности проводника всегда имеет такую структуру, при которой выполняются эти граничные условия.
Электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном пространстве или вдоль двухпроводной линии, являются поперечными. У них электрические и магнитные силовые линии лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, т. е. в поперечной плоскости. Иначе говоря, у такой волны направления сил магнитного и электрического полей находятся в плоскости, перпендикулярной к направлению движения волны.
Сила поля характеризуется величиной напряженности поляу являющейся вектором. Как известно, векторами называют величины, имеющие не только числовое значение, но и определенное направление. Принято векторы изображать на чертежах стрелками, причем длина стрелки может показывать числовое значение вектора в каком-либо масштабе, а направление стрелки должно соответствовать направлению действия данного вектора. Вектор напряженности поля в данной точке всегда направлен по касательной к силовой линии, проходящей через эту точку. На (рис.1) изображены для поперечной волны векторы напряженности электрического поля Е, напряженности магнитного поля H и скорости распространения волны V. Взаимное расположение этих векторов для поперечной волны подчиняется cледующему правилу: если вращать винт по кратчайшему расстоянию от E к H, то его поступательное движение покажет направление вектора V (рис.1).
Иногда изображают стрелками только два вектора, например Е и H, а третий вектор, перпендикулярный к плоскости чертежа, показывают в виде крестика, если он направлен от нас, или в виде точки, если он направлен на нас (рис.2).
Следует помнить, что в электромагнитной волне векторы Е и H в каждой точке пространства непрерывно изменяют свою величину (например, по синусоидальному закону). Векторы Е и Н изменяются также и вдоль направления распространения волны.
От величин Е и H зависит мощность электромагнитной волны. Если выражать Е в вольтах на метр и H в амперах на метр, то их произведение дает мощность в ваттах потока энергии, переносимой электромагнитной волной через 1 м2 поперечного сечения волны. Произведение векторов Е и H называют вектором Пойнтинга и измеряют в ваттах на квадратный метр. По направлению этот вектор совпадает с вектором V.
