Warto przeczytać

Czasem można usłyszeć, jak dziennikarz radiowy mówi: „audycja poszła w eter” albo „na falach eteru”. Jest to całkowity anachronizm i co gorsza – nieprawda. Nie ma czegoś takiego jak eter, czyli ośrodek, w którym miałaby się rozchodzić fala elektromagnetyczna. Musiałby mieć ów eter nieprawdopodobne wręcz właściwości.

Otóż prędkość fali elektromagnetycznej jest olbrzymia, $c$ = 300 000 km/s. W mechanice dowodzi się, że fala ma tym większą prędkość, im bardziej sprężysty (sztywny) jest ośrodek oraz im ośrodek ten jest lżejszy. Eter musiałby więc być tysiące razy bardziej sprężysty od najlepszej stali, ale jednocześnie mieć niesłychanie małą gęstość. Dalej: w ośrodku sprężystym, w którym rozchodzą się fale poprzeczne, mogą rozchodzić się też fale podłużne (na ogół z różnymi prędkościami), czyli fala akustyczna. Od eteru należałoby jednak wymagać, by fale podłużne nie mogły się w nim rozchodzić. Co więcej, eter ten musiałby wypełniać cały Wszechświat. W szczególności – obszar Układu Słonecznego. Nie zauważamy, żeby eter (niesłychanie sztywny materiał) hamował ruch Ziemi i innych planet.

Prawdziwym gwoździem do trumny dla hipotezy eteru okazała się Szczególna Teoria Względności (1905 r.) Einsteina. No i zupełnie niezależnie od niej przeprowadzone doświadczenie Michelsona – Morleya (1887 r.), którego wynik był negatywny: nie wykryto żadnego „wiatru eteru”, który, gdyby eter istniał i wypełniał przestrzeń w kosmosie, wiałby na Ziemi ze względu na ruch Ziemi wokół Słońca. Powodowałoby to różnice w prędkości światła mierzone w różnych kierunkach. Nie wykryto (w pomiarze przeprowadzonym z ogromną precyzją) żadnych różnic w prędkości światła w granicach niepewności pomiarowej 5 km/s. Wobec tego nie wykryto wiatru eteru. Uczeni musieli się z tym pogodzić – eteru po prostu nie ma. Przejdźmy zatem do bardziej istotnych kwestii.

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się zaburzenie pola elektromagnetycznego.

Ale jak to sobie wyobrazić? Może pomocny będzie tu Rys. 1., na którym pokazano linie pola elektrycznegoPole elektrycznepola elektrycznego pochodzącego od ładunku punktowego, który w pewnym momencie został przesunięty do nowego położenia.

R1XhwndsYumGz

Rys. 1. Ilustracja przedstawia w jaki sposób są wytwarzanie linie pola elektrycznego przez ładunek punktowy. Na czarnym tle w środku rysunku widoczny jest ładunek dodatni, w postaci czerwonego kółka ze znakiem plus na środku. Ładunek znajduje się na pionowej białej linii biegnącej z góry na dół rysunku. Wokół ładunku wytwarzane są również linie pola magnetycznego widoczne w postaci białych pofalowanych linii. Linie pola magnetycznego są rozbieżne w każdym kierunku.

Widzimy tutaj „stare” linie pola, które zaczynają się w miejscu pierwotnego położenia ładunku. Można znaleźć to położenie na przedłużeniu linii wychodzących poza rysunek. Okaże się, że ładunek znajdował się nieco „w górę” od obecnego położenia. Linie pola, które widzimy w pobliżu ładunku to nowe pole elektrostatyczne. Na skutek ruchu ładunku w dół dotychczasowe pole uległo zaburzeniu. Widzimy to w postaci załamanych linii pola. Załamanie linii – zaburzenie pola wędruje w przestrzeni z prędkością światła aż do nieskończoności, tak żeby „przebudować” do aktualnej postaci pole elektryczne.

Jaki jest mechanizm propagacji tego zaburzenia? Nie widzimy tutaj drugiej składowej pola elektromagnetycznego – pola magnetycznegoPole magnetycznepola magnetycznego. Ale jest ono oczywiście obecne. Jego powstanie jest konsekwencją praw Maxwella. Gdy ładunek zaczyna się poruszać, pole elektryczne zaczyna się zmieniać, a to powoduje powstanie wokół wirowego pola magnetycznego. Linie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznego tworzą rozszerzające się okręgi o środkach na linii ruchu ładunku. To pole magnetyczne też jest zmienne (przecież się pojawiło); a skoro tak, to wytwarza wokół siebie wirowe pole elektryczne. I w ten sposób nawzajem się generując, oba pola wędrują do nieskończoności przenosząc zaburzenie, czyli „poprawkę” pola elektrycznego.

Opisaną tutaj falę elektromagnetyczną nazywamy impulsem falowym. Zauważ, że została ona wytworzona przez ładunek, który przemieścił się do nowego miejsca – musiał zatem przyspieszyć, a następnie wyhamować. Okazuje się, że fala elektromagnetyczna jest zawsze wytwarzana przez ładunek, który porusza się z przyspieszeniem (tak jak w omawianym przypadku). W szczególności ładunek może oscylować lub poruszać się po okręgu. Wtedy, przy występującej okresowości ruchów ładunku, okresowa jest też fala.

R28He65XKyWW2

Rys. 2. Animacja prezentuje wytwarzanie fali podobnej do fali radiowej generowanej przez oscylujący dipol elektryczny. Na błękitnym tle widoczny jest ładunek elektryczny poruszający się cyklicznie w górę i w dół, w postaci niebieskiego kółka. ładunek znajduje się na pionowej czarnej linii biegnącej z góry rysunku w dół. Wokół ładunku. Poruszający się cyklicznie ładunek tworzy dipol elektryczny. Wokół ładunku wytwarzane są linie pola elektrycznego, w postaci niebieskich pofalowanych linii rozchodzących się od ładunku rozbieżnie. Do środka ładunku przyłożona jest czerwona strzałka, która informuje nas o kierunku jego przesuwu. Strzałka ta zmienia swoją długość. Najdłuższa jest w chwili, gdy ładunek zaczyna poruszać się w górę lub w dół i niknie do zera. Gdy ładunek się zatrzymuje.

Rys. 2. Animacja prezentuje wytwarzanie fali podobnej do fali radiowej generowanej przez oscylujący dipol elektryczny. Na błękitnym tle widoczny jest ładunek elektryczny poruszający się cyklicznie w górę i w dół, w postaci niebieskiego kółka. ładunek znajduje się na pionowej czarnej linii biegnącej z góry rysunku w dół. Wokół ładunku. Poruszający się cyklicznie ładunek tworzy dipol elektryczny. Wokół ładunku wytwarzane są linie pola elektrycznego, w postaci niebieskich pofalowanych linii rozchodzących się od ładunku rozbieżnie. Do środka ładunku przyłożona jest czerwona strzałka, która informuje nas o kierunku jego przesuwu. Strzałka ta zmienia swoją długość. Najdłuższa jest w chwili, gdy ładunek zaczyna poruszać się w górę lub w dół i niknie do zera. Gdy ładunek się zatrzymuje.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R28He65XKyWW2

Rys. 2. Animacja prezentuje wytwarzanie fali podobnej do fali radiowej generowanej przez oscylujący dipol elektryczny. Na błękitnym tle widoczny jest ładunek elektryczny poruszający się cyklicznie w górę i w dół, w postaci niebieskiego kółka. ładunek znajduje się na pionowej czarnej linii biegnącej z góry rysunku w dół. Wokół ładunku. Poruszający się cyklicznie ładunek tworzy dipol elektryczny. Wokół ładunku wytwarzane są linie pola elektrycznego, w postaci niebieskich pofalowanych linii rozchodzących się od ładunku rozbieżnie. Do środka ładunku przyłożona jest czerwona strzałka, która informuje nas o kierunku jego przesuwu. Strzałka ta zmienia swoją długość. Najdłuższa jest w chwili, gdy ładunek zaczyna poruszać się w górę lub w dół i niknie do zera. Gdy ładunek się zatrzymuje.

RjIcy6UzOZ95d

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono wytwarzanie linii pola elektrycznego przez ładunek poruszający się po okręgu. Na czarnym tle w centralnej części rysunku widoczny jest ładunek dodatni, w postaci czerwonego kółka ze znakiem plus na środku. Wokół ładunku wytworzone są linie pola elektrycznego w postaci pofalowanych białych linii. Linie pola elektrycznego są rozbieżne w każdym kierunku. Poruszający się po okręgu ładunek tworzy linie, które dodatkowo tworzą spiralę. Linie pola elektrycznego rozchodzą się od ładunku na zewnątrz. Kierunek skręcenia spirali linii pola elektrycznego jest zgodny z ruchem wskazówek zegara.

Kształt takich fal w postaci linii natężenia pola elektrycznego został pokazany na Rys. 2. i Rys. 3. Odpowiednikiem omawianego tutaj impulsu fali elektromagnetycznej jest w akustyce fala wytworzona przez na przykład klaśnięcie w dłonie. Albo w ogólnym przypadku – jednokrotne wychylenie ze stanu równowagi dowolnego punktu ośrodka sprężystego.

Jeśli źródło każdego rodzaju fali drga harmonicznie, to wytwarza falę okresowo zmienną – falę harmoniczną. Wobec tego również dla tego typu fali elektromagnetycznej możemy określić częstotliwość i długość fali, opisać ich związek w znany sposób: $\lambda=\frac{c}{f}$. Więcej na temat takiej fali możesz przeczytać w e‑materiale „Właściwości fali elektromagnetycznej harmonicznej, płaskiej”.

Słowniczek