Розділ III. Електромагнітні хвилі і фізичні основи радіотехніки

Електромагнітне поле

Як ви вже знаєте, між електричними і магнітними явищами існує тісний взаємозв'язок. Будь-який упо­рядкований рух заряджених частинок — електронний струм в металах чи іонний в електролітах, упорядковане переміщення «дірок» в напівпровідниках, електронний промінь у вакуумі або поступальний рух зарядженого тіла в повітрі тощо — завжди є джерелом магнітного поля. Якщо струм постійний, то постійне й магнітне поле цього

струму (в будь-якій заданій точці простору навколо струму вектор індукції магнітного поля В не змінюється ні за модулем, ні за напрямом). Змінний електричний струм забезпечує в загальному випадку змінне магнітне поле (якщо змінюється лише сила струму, в заданій точці магнітного поля цього струму змінюється лише модуль вектора 8; якщо струм змінюється і за напрямом, змінює­ться і напрям вектора В).

З іншого боку, явище електромагнітної індукції пере­конливо доводить можливість електричних явищ, які мають, так би мовити, магнітну причину: перерозподіл зарядів у незамкнутому провіднику або їх упорядкований рух (індукційний струм) у замкнутому провіднику. Прав­да, це можливо при дотриманні дуже істотної умови: магнітний потік (через площу контуру витка або котушки, через площу, яку описує рухома ділянка контуру, тощо) повинен бути змінним.

Таким чином, електричне і магнітне поля не можуть існувати незалежно одне від одного. Змінне магнітне поле спричиняє виникнення змінного електричного поля. І нав­паки, змінне електричне поле не може існувати без магнітного.

Це твердження ви, мабуть, сприйняли з недовірою, оскільки воно суперечить повсякденному досвіду. Справді, нерухоме заряджене тіло створює лише електричне поле, а нерухомий магніт створює лише магнітне поле. Однак не треба забувати, що заряджене тіло чи постійний маг­ніт перебувають у спокої лише в певній системі відліку. Відносно інших систем заряджене тіло рухатиметься, ство­рюючи і електричне, і магнітне поля. Так само рухомий постійний магніт створює не лише магнітне, а й електричне поле.

Твердження про існування в даній точці простору лише електричного чи лише магнітного поля позбавлене сенсу, якщо не вказано, відносно якої системи відліку ці поля розглядаються. Відсутність електричного поля в системі відліку, зв'язаній з нерухомим постійним магнітом, аж ніяк не означає, що електричного поля немає взагалі. В будь-якій іншій системі відліку, яка рухається відносно магніту, це поле виявляється.

Виходить, що магнітне поле можна ♦знищити» вибором системи відліку. В одній системі поле існує, а в іншій його немає. Аналогічна ситуація виникає і з електрич­ним полем. Вибором системи відліку можна «створити» електричне поле постійного магніту, а перейшовши

в попередню систему, знову його «знищити». Однак це су­перечить уявленню про реальність поля, оскільки існу­вання реального об'єкта не може залежати від системи відліку.

Щоб розібратися в цій суперечності пригадаємо відомі досліди з електронними пучками. Нехай з електронної гармати електронно-променевої трубки вилітає вузький пучок електронів. Спостерігач, нерухомий відносно трубки, зафіксує приладами електричне і магнітне поля, ство­рювані рухомими електронами. Якщо цей спостерігач піднесе до пучка постійний магніт, то пучок відхилиться у той чи інший бік.

Тепер уявимо собі другого спостерігача, який рухає­ться разом з електронами. В цій системі відліку пучок електронів — нерухома заряджена нитка, яка створює лише електричне поле. Якщо цей спостерігач піднесе до пучка постійний магніт, то, здавалося б, він ніяк не зможе вплинути на пучок, тому що магніт і пучок нерухомі одне відносно одного, а нерухомі заряджені частинки не ство­рюють магнітного поля. Проте в цій системі відліку до нерухомих заряджених частинок наближається постійний магніт і згідно з законом електромагнітної індукції у про­сторі виникає вихрове електричне поле, яке діє на заряд­жені частинки так само, як у першому випадку магнітне. Таким чином, у цьому досліді ми не змогли вибором системи відліку «знищити» одночасно і електричне, і магнітне поля. Зникнення одного з них призвело до виникнення другого, яке чинило таку саму дію.

Вихрове електричне поле завжди породжується змінним магнітним полем. Якщо вихрове електричне поле змінює­ться, то воно у свою чергу викликає появу в просторі змінного магнітного поля. Отже, змінні магнітні поля завжди зв'язані зі змінними вихровими електричними полями, лінії напруженості яких зв'язані мов кільцями з лініями індукції (мал. 74).

Аналіз різноманітних дослідів з електричним і магніт­ним полями дає підстави для висновку, що окремо вони не існують, а становлять єдине ціле — електромагнітне поле. Залежно від того, в якій системі відліку вивчають­ся електромагнітні процеси, виявляються ті чи інші влас­тивості електромагнітного поля. Електричне й магнітне поля є окремими випадками електромагнітного поля, а не його складовими. Електромагнітне поле — одне з пер­винних фундаментальних понять, а тому його не можна розділити на якісь дрібніші поняття — складові частини.

? 1. Чому твердження, що в даній точці простору існує лише елек­тричне чи лише магнітне поле, не в цілком означеним? 2. Навколо зарядженого тіла, постійного магніту чи котушки із струмом залежно від вибору системи відліку можна спостерігати або електричне, або магнітне, або електромагнітне поле. Чи означає це, що вибором системи відліку поле може бути «знищене»? 3. Чи існують електромагнітні поля, в яких у будь-якій системі відліку обидва вектори поля (напру­женості і індукції ) не дорівнюють нулю?

Струм зміщення

Під час вивчення постійного струму ви бачили, що необхідною умовою існування цього струму є замкнутість кола, тобто наявність електропровідності у всіх його точ­ках. В нерозгалуженому електричному колі відбувається безперервна циркуляція електричних зарядів: вони пере­міщаються і зовнішньою, і внутрішньою (всередині дже­рела струму) ділянками кола в певному напрямі, Кожна ділянка такого кола є джерелом магнітного поля. Причому магнітне поле утворюється і внутрішньою частиною кола (якщо навіть це буде, наприклад, ділянка електролітич­ного розчину між електродами гальванічного елемента) незалежно від будови джерела.

На відміну від цього кола постійного струму коливаль­ний контур є розімкнутим електричним колом. Хоч у ньому є змінний електричний струм, однак цей струм — всього-навсього періодичний перерозподіл зарядів у про­відних ділянках контуру (від однієї обкладки конденса­тора через з'єднувальні провідники і котушку індуктивно­сті до другої і назад).

Зрозуміло, що коливальний контур є джерелом періо­дично змінного магнітного поля. В основному це поле

зосереджене всередині котушки. Однак і за її межами (навколо з'єднувальних провідників, за торцями котушки) його теж можна виявити. У тому, що магнітне поле вини­кає навколо провідних частин коливального контуру, в яких упорядковано рухаються і періодично перероз­поділяються заряди, немає жодних сумнівів. Це повністю узгоджується з відомими закономірностями магнітних явищ. Але змінне магнітне поле виявляється і навколо зазору конденсатора. Причому це поле не поширюється від сусідніх ділянок контуру, а його джерелом є сам зазор (див. мал. 74).

Це дивно, оскільки простір між обкладками не є провід­ником, тобто в просторі між обкладками конденсатора немає носіїв електричних зарядів. Проте у зазорі конден­сатора є змінне електричне поле, яке створює змінне маг­нітне поле поблизу зазору конденсатора коливального контуру. Оскільки змінне електричне поле, подібно до струму провідності, в джерелом магнітного поля, Максвелл запропонував називати його струмом зміщення на від­міну від струму провідності, обумовленого рухом заря­джених частинок (електронів й іонів). Струм зміщення — це лише інша назва змінного електричного поля. Він може виникати у просторі, який не містить заряджених чи нейтральних частинок.

Використовуючи поняття про струм зміщення, коли­вальний контур можна розглядати як замкнуте електричне коло: змінний струм провідності є в з'єднувальних про­водах і в котушці, а зазор конденсатора замикається струмом зміщення. У зв'язку з цим часто говорять про повний струм в колі коливального контуру як про замк­нуту послідовність змінного струму провідності і струму зміщення. Якщо під електричним струмом розуміти повний струм, то виявиться, що в прирдді всі електричні струми замкнуті.

Слід зауважити, що струми зміщення еквівалентні струмам провідності лише за здатністю створювати магнітне поле. Струм вміщення може протікати у вакуумі, будучи при цьому джерелом магнітного поля, але ніякими тепловими або хімічними явищами він не супрово­джується.

Отже, магнітне поле може утворюватися не лише рухо­мими зарядженими частинками чи тілами, а й електрич­ним полем; електричне поле — не лише нерухомими чи рухомими електричними зарядами, а й магнітним полем. Цей взаємозв'язок полів має принципове значення. Він

становить інтерес і в тих випадках, коли в розглядуваній точці простору відсутні будь-які провідники чи діелек­трики, заряджені частинки або тіла, інакше кажучи, коли відсутня речовина.