httpsufmi.ft.utb.cztextyel_magF2_05.pdf

5. Elektromagnetické vlny

5.1 Úvod

Optika je část fyziky zabývající se světlem, patří spolu s mechanikou k nejstarším fyzikálním
oborům. Podle jedné ze starověkých teorií je světlo vyzařováno z oka a oko si jím „ohmatává“
okolní svět. Aristoteles (384 - 322 př. n. l.) předpokládal, že rychlost světla je nekonečná, tuto
myšlenku podporoval i Hérón z Alexandrie (10-70) úvahou, že vzdálené objekty, jako
například hvězdy, se objeví, jakmile se oko otevře – světlo z oka k nim musí doletět okamžitě.
Modernější představy o světle pochází od Newtona (1643-1727), který předpokládal, že světlo
je proud rychle letících částic (korpuskulární teorie) a Huygense (1629-1695), který tvrdil, že
světlo je vlnění „světelného éteru“. Ve 3. kapitole bylo popsáno mechanické vlnění, které se
šíří pouze v látkovém prostředí. Elektromagnetické vlny se však mohou šířit i ve vakuu. V
kapitolách o elektřině a magnetismu jsme se dozvěděli o Maxwellových rovnicích (James
Clerk Maxwell, 1831-1879), které tvoří základ teorie elektromagnetického pole. Tyto rovnice
měli a mají dalekosáhlé důsledky. Ampér-Maxwellův zákon předpovídá, že časově proměnné
elektrické pole vytváří magnetické a naopak Faradayův zákon říká, že časově proměnné
magnetické pole vytváří elektrické. Maxwellovy rovnice tedy předpovídají existenci
elektromagnetických vln šířící se rychlostí světla c, která je podle Einsteinovy Obecné teorie
relativity ve vakuu konstantní. V roce 1887 německý fyzik Heinrich Rudolf Hertz (1857-
1894) sestrojil zařízení, kterým dokázal generovat i detekovat elektromagnetické vlny, a díky
němu tuto Maxwellovu předpověď el.-mag. vln experimentálně potvrdil. Stále se však fyzici
domnívali, že světlo je vlnění (až na Isaaca Newtona). Počátkem 20. století však Max Planck
(1858-1947) vyslovil kvantovou hypotézu o chování elektromagnetického záření a
elementární částice světla byla nazvána fotonem, stal se tak jedním ze zakladatelů kvantové
teorie, která přisuzuje světlu jak vlnové, tak i částicové vlastnosti.

5.2 Maxwellovy rovnice a Hertzův pokus

J. C. Maxwell ukázal, že vlnový charakter světla (elektromagnetické vlny) je přirozeným
důsledkem základních zákonů jeho teorie elektromagnetického pole vyjádřených
následujícími rovnicemi:

∮EdS=

q

0

,

(5.1)

(Coulombův zákon)

∮BdS=0 ,

(5.2)

∮EdS=−

d

H

dt

,

(5.3)

(Faradayův zákon)

∮BdS=

0 I 0 0

d

E

dt

,

(5.4)

Jinak řečeno zjistil, že světelný paprsek je postupná vlna tvořená elektrickým a magnetickým
polem. Optika, fyzika studující vlastnosti a chování viditelného světla, se od této doby stává
nedělitelnou součástí elektromagnetismu. Maxwell byl však především teoretickým fyzikem
se skvělou intuicí, avšak jeho teorie ještě čekala i na experimentální důkazy. Jeho myšlenka
velmi brzo zaujala Heinricha Hertze, který objevil rádiové vlny šířící se stejnou rychlostí jako
viditelné světlo. Experimentální zařízení, které použil Hertz pro generaci postupné
elektromagnetické vlny je schematicky znázorněno na obrázku