Пусть простит меня читатель за то, что привел столь пространный ответ профессора. Высказывание его несомненно поучительно. Как мы видим, непросто вообразить электромагнитную волну, и вполне возможно, что ее истинная картина совсем не такая, какой она предстает перед нами в различных моделях. Самый лучший и правильный путь — абстрактное представление электромагнитного поля. Надо просто, не ломая себе голову по поводу действительной картины, рассматривать поле как математические функции координат и времени. Вспомним, что Максвелл для объяснения физического смысла тока смещения прибегал к эфиру, от которого потом отказались. А математическая сторона явления оказалась независимой от тех физических одежд, в которую ее пытались, и небезуспешно, одеть. Так и мы прибегнем к абстрактной модели электромагнитной волны.
Чтобы применить математику к исследованию какого-либо явления, надо его как-то измерить. Как же измерить электромагнитную волну — неразрывную комбинацию электрического и магнитного полей? Со школы мы знаем, что электрические и магнитные поля проявляют себя в виде сил, действующих на электрический заряд. Вот эти силы могут быть непосредственно измерены. Через них и придем к характеристикам электрического и магнитного полей. Электрическое поле задается его напряженностью Е — силой, которую оказывает поле на единичный электрический заряд. Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В. Она определяет силовое воздействие магнитного поля на движущийся заряд. (На неподвижный заряд магнитное поле не действует.) Е и В — величины векторные, то есть они определяют не только количественное значение электрической и магнитной сил, но и их направление.
А теперь рассмотрим одну из «конструкций» электромагнитной волны. Ее будет вполне достаточно и для радиолюбительской и даже для инженерной практики. Пример, можно сказать, классический — плоская электромагнитная волна. Ее «изобрел» еще Оливер Хейвисайд. Чтобы представить себе плоскую волну, обратимся опять к эксперименту с бросанием камня в пруд. Волна на поверхности воды от брошенного камня расходится в виде ряби — концентрическими кругами. Фронт ее, то есть самая передняя часть волны, — окружность. Плоская же волна распространяется всюду в одном направлении, и фронт ее передвигается словно огромная плоскость.
Строго говоря, такие плоские волны создать невозможно. Но на очень большом расстоянии от места возникновения волны ее фронт можно считать плоским, точно так же как во многих задачах плоской полагают поверхность Земли. Солнечный свет — тоже плоская волна: слишком далеко она ушла от своего источника.
А теперь представим себе две взаимно перпендикулярные плоскости: горизонтальную и вертикальную, и вообразим, что каждая из них — это водная гладь. Конечно, непривычно мыслить водную поверхность вертикальной, но и не так уж трудно. Предположим, что мы и окружающий нас мирок незаметно для нас сместились на 90 градусов. Все осталось как прежде, только стороннему наблюдателю видится, что пол вертикален, и мы ходим по нему как по вертикали. В общем, уподобимся фантастам: будем считать, что у нас два пространства. Одно обычное, другое — повернутое на 90 градусов.
Проведем мысленный эксперимент. Бросим камень на линию пересечения водных поверхностей. И побегут волны по воде наших прудов: вертикального и горизонтального. Нас будет интересовать совместная картина волн на пересечении водных поверхностей. В любой точке они будут синфазны (совпадать по фазе), то есть иметь одно и то же состояние, в нашем случае амплитуду. Если в вертикальном пруду гребень, то в горизонтальном — тоже, если в вертикальном — впадина, то соответственно в горизонтальном в таком же месте тоже впадина. Вот вам и аналог плоской электромагнитной волны. Линия пересечения водных поверхностей в спокойном состоянии — это линия распространения электромагнитной волны. Профиль волны горизонтального пруда в вертикальной плоскости — аналог распространения электрического поля, то есть вектора Е, а профиль вертикального пруда в горизонтальной плоскости — аналог магнитного поля, то есть вектора В.
Получается двумерная картина. Электрическая волна бежит в одной плоскости, а синфазная с ней магнитная — в другой, взаимно перпендикулярной.
Электромагнитные волны принадлежат к семейству поперечных волн. Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. То есть электромагнитное состояние среды совершает колебания поперек движения. В продольных же волнах свойства среды, в которой бежит волна, изменяются вдоль движения. Такой волной, например, является звук в воздухе, в жидкости или в твердом теле. Сила, породившая звук, вызывает периодические изменения давления в среде вдоль направления распространения волны. Волны на поверхности воды, к примеру которых мы часто прибегали, являются более сложным видом волнового движения. Частицы на поверхности воды совершают не продольные и не поперечные колебания, а вращательное и чуть-чуть поступательное движение.
И чтобы закончить наше почти инженерное образование об электромагнитных волнах, расскажем о таком их параметре, как поляризация.
Поляризация — общее для всех волн понятие. Представление о ней дает такой простой опыт. Привяжем веревку к какому-либо предмету, скажем, к ручке от двери, и начнем дергать свободный ее конец вверх-вниз. По веревке побежит волна, то есть веревка придет в колебательное движение, причем происходить оно будет в вертикальной плоскости. Если же будем дергать верезку вправо-влево, то колебание ее будет совершаться в горизонтальной плоскости. В обоих случаях можно говорить, что получающиеся волны плоско или линейно поляризованы, поскольку волновое движение происходит в одной плоскости. В первом примере волна вертикально поляризована, во втором — горизонтально. Но можно конец веревки закрутить и по кругу, как будто вращая ручку швейной машины. Тогда веревка совьется в виде движущейся спирали. Проследив за ее тенью на стене, мы заметим, что она почти повторяет вертикально поляризованные волны, а ее тень на полу похожа на горизонтально поляризованные волны.
Получается, что спиральную волну можно рассматривать как комбинацию двух плоско поляризованных волн или же в виде плоско поляризованной волны с вращающейся плоскостью поляризации. Такой вид поляризации называется круговой.
Поляризацию электромагнитных волн принято определять по направлению колебаний вектора электрического поля Е. (Можно и по направлению колебаний вектора магнитной индукции, поскольку она связана с вектором Е, но это вопрос традиции.)
Для волн, излучаемых вибратором, плоскость поляризации определяется просто. Если вибратор горизонтален — поляризация горизонтальная, если вертикален, то вертикальная.
Высокие металлические башни — антенны радиовещательных станций — пример антенн, излучающих вертикально поляризованные волны. Металлическую башню можно рассматривать как половину вертикального диполя, а роль второй половины выполняет земля. Она — тоже проводник токов и зарядов. В СССР и США для телевидения применяют горизонтально поляризованные волны, а в Англии предпочитают вертикальную поляризацию. Поэтому у нас и в Америке приемные телевизионные антенны — горизонтальные вибраторы, а в Великобритании — вертикальные. Трудно однозначно сказать, какая поляризация лучше для телевидения. При вертикальной поляризации заводские трубы, столбы, шпили зданий и другие вертикальные объекты могут создавать помехи в виде переотраженных сигналов и мешать качественному приему. При горизонтальной поляризации сильнее сказываются помехи, вызванные переотражением сигналов от земли и от крыш домов.
Электромагнитные волны нетрудно сделать и с круговой поляризацией. Для этого надо два вибратора расположить крестообразно и подвести к ним высокочастотные колебания, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Такой вид поляризации применяется в радиолокации для подавления помех от дождя.
