1.Електромагнітне поле

У вченні про електромагнітні хвилі чільне місце посідає теорія електромагнітного поля, до якої фізика йшла тривалий час тернистим і складним шляхом, оскільки електричні й магнітні явища довго розглядали як специфічні й незалежні. Лише експериментальними дослідженнями таких визначних учених, як Г. Ерстед і М. Фарадей, було доведено органічний зв'язок електричних і магнітних явищ, електричних і магнітних полів, взаємообумовлене і взаємопов'язане їх існування. У дослідах Г. Ерстеда магнітне поле електричного струму не знищує електричне поле, яке викликало цей струм, а існує одночасно з ним, проявляючись як обов'язковий супровід електричного струму. Електричне поле, яке виявляється в дослідах М. Фарадея з електромагнітної індукції, не знищує змінне магнітне поле, яке є обов'язковою умовою існування явища електромагнітної індукції, а обов'язково супроводжує змінне магнітне поле. Накопичення знань про електричне і магнітне поля, виявлення явищ, які засвідчують зв'язок магнітних і електричних явищ, спонукало вчених до пошуку їх пояснення з єдиних теоретичних позицій. Найпліднішою спробою пояснення властивостей і походження електричних і магнітних полів з єдиних позицій виявилися теоретичні дослідження англійського фізика-теоретика Джеймса Клерка Максвелла, який у 1864 р. опублікував працю «Динамічна теорія електромагнітного поля». У ній він описав теорію, що грунтувалася на уявленнях про існування єдиного електромагнітного поля, прояви якого різні в різних системах відліку. Змінне електричне і змінне магнітне поля органічно пов'язані між собою.

У працях Д. Максвелла доведено існування електромагнітного поля. Теорія Д. Максвелла є узагальненням експерименталних досліджень. Розробляючи теорію електромагнітного поля, Д. К. Максвелл не тільки узагальнив результати експериментальних досліджень властивостей електричних і магнітних полів, а й зробив принципово важливі відкриття. Так, він установив, що в разі зміни електричного   поля   обов'язково   спостерігатиметься магнітне поле. Магнітна індукція В цього  поля  залежить  від  швидкості  зміни електричного поля:

Це передбачення згодом було підтверджене експериментально і стало важливою ланкою теорії. Явище, за якого спостерігається магнітне поле в разі зміни електричного поля, дістало назву магнітоелектричної індукції. Зв'язок магнітного поля зі змінним електричним полем можна спостерігати в дослідах за допомогою сучасних приладів. Якщо в електричне поле між двома паралельними пластинками, приєднаними до генератора змінної напруги, внести тороїдальну котушку (мал. 4.1), то вимірювальний прилад, приєднаний до неї, виявить змінну ЕРС, частота якої відповідатиме частоті зміни електричного поля. Якщо збільшити частоту зміни електричного поля, то й амплітуда ЕРС у котушці збільшиться. Це саме спостерігається і тоді, коли осердя котушки замінити на інше, з більшою магнітною проникністю. Лінії магнітної індукції поля за магнітоелектричної індукції охоплюватимуть лінії напруженості електричного поля. Це засвідчує положення тороїдальної котушки в електричному полі. Максимальне значення амплітуди ЕРС у котушці виявляється тоді, коли площина котушки перпендикулярна до ліній напруженості електричного поля. Напрямок ліній магнітної індукції у явищі магнітоелектричної індукції можна визначити за правилом правого гвинта: якщо поступальний рух правого гвинта збігається з напрямком вектора зміни напруженості електричного поля, то напрямок його обертання покаже напрямок лінії магнітної індукції (мал. 4.2).

Явище магнітоелектричної індукції — це поява магнітного поля при зміні електричного поля.

Фундаментальним висновком з теорії Максвєлла є передбачення, що мають існувати електромагнітні хвилі, швидкість поширення яких дорівнює швидкості світла.

Основні положення теорії електромагнітного поля узагальнені у рівняннях Максвєлла. Однак, щоб їх прочитати і зрозуміти, потрібні знання з вищої математики. Теорія Максвєлла дає змогу пояснити взаємозв'язок електричних і магнітних полів на основі теорії відносності.

1. Якщо в якійсь системі відліку знаходиться електрично заряджене тіло і його швидкість дорівнює нулю, то в цій системі можна виявити лише електричне поле. Властивості цього поля і явища, пов'язані з ним, ви вивчали у розділі «Електростатика» (мал. 4.3).

2. Якщо заряджене тіло в деякій системі рухається рівномірно, то в цій системі, крім електричного, спостерігається ще й магнітне поле (мал. 4.4). При цьому напруженість електричного поля змінюватиметься лінійно, а індукція магнітного поля, буде сталою:

3. Якщо заряджене тіло рухається з прискоренням, то швидкість зміни напруженості електричного поля не буде сталою. Внаслідок цього магнітна індукція поля також змінюватиметься (мал. 4.5).

Подальші дослідження властивостей електромагнітного поля показали, що воно має масу й енергію, а зміна його характеристик, яка сталася в довільній точці поля, поширюється до інших точок простору зі сталою швидкістю.