Действительно ли электрическая и магнитная составляющие электромагнитной волны генерируют друг друга?

Как вы говорите, изменяющееся магнитное поле всегда связано с изменяющимся электрическим полем, и фактически в теории относительности оказывается, что это одно и то же поле. Так что на этом уровне нельзя сказать, что одно поле порождает другое, так как это всего лишь два аспекта одного и того же объекта.

Но, может быть, вы все еще хотите посмотреть на это с точки зрения «наивной ЭМ» и посмотреть, какой смысл можно было бы придать утверждению, что одно поле порождает другое.

Теперь, если вы посмотрите на поля плоской волны в фиксированной точке пространства, вы увидите, что они колеблются синхронно, и оба достигают максимума и$0$интенсивность одновременно. На самом деле можно сказать, что увеличение$E$поле пытается уменьшить$B$поле и увеличение$B$поле пытается уменьшить$E$поле. Вы можете следовать соответствующим уравнениям, и вы увидите, что они аналогичны уравнениям вибрирующей мембраны.

Но дело в том, что на самом деле поля пытаются взаимно редуцировать друг друга, а не генерировать. На самом деле они делают это так хорошо, что возникает перерегулирование, и цикл повторяется. Эта динамика оказывается направленной на то, чтобы энергия текла через эту точку пространства к полям в соседнем пространстве. На самом деле в некоторые моменты в этой точке нет ЭМ поля, а значит, в этом поле нет энергии.

Я предполагаю, что лучшим описанием было бы то, что движущийся заряд создает возмущение в электромагнитном поле в том смысле, что происходит передача энергии от его кинетической энергии к ЭМ энергии. Это возмущение затем распространяется через пространство и время.

Действительно ли электрическая и магнитная составляющие электромагнитной волны генерируют друг друга?

Нет, это не так. Как сказала Андреа, это два «аспекта» одного и того же. Как вы сказали, это электромагнитная волна. См. вики-статью об электромагнитном излучении , где вы можете прочитать, что «оператор ротора с одной стороны этих уравнений приводит к пространственным производным первого порядка волнового решения, а производная по времени — с другой стороны уравнений, что дает другое поле, это первый порядок во времени» . Одна производная по пространству, другая по времени. Если это была волна на воде, а вы были в каноэ, то наклон вашего каноэ равен E, а скорость изменения наклона равна B.

Часто, когда преподают электромагнитные волны, говорят, что изменение электрического поля вызывает изменение магнитного поля, которое затем вызывает изменение электрического поля, и так далее и тому подобное .

Да, и люди, которые так говорят, обычно говорят, что поэтому электромагнитным волнам не нужна среда. Но им нужна среда. Пространство — это среда. Это не среда, как вода или земля, но и не ничто. Посмотрите на LIGO и обратите внимание, что они пытаются обнаружить изменение длины плеч интерферометра. Это по существу космическое размахивание. Также см. здесь , где Роберт Б. Лафлин говорит о квантовом вакууме и сравнивает пространство с оконным стеклом, а не с ньютоновской пустотой.

и именно этот заряд создает как электрическое, так и магнитное поле

ИМХО, вам следует пока избегать зарядки и придерживаться электромагнитных волн.

Реальна ли концепция «взаимной генерации» между электрической и магнитной составляющими электромагнитной волны?

Нет, это не так. Посмотрите эту статью в Википедии об уравнениях Ефименко:

Существует широко распространенная интерпретация уравнений Максвелла, указывающая на то, что переменные в пространстве электрические и магнитные поля могут вызывать изменение друг друга во времени, что приводит к возникновению распространяющейся электромагнитной волны (электромагнетизм). Однако уравнения Ефименко показывают альтернативную точку зрения. Ефименко говорит: «...ни уравнения Максвелла, ни их решения не указывают на существование причинно-следственной связи между электрическим и магнитным полями. Следовательно, мы должны заключить, что электромагнитное поле есть двойственное существо, всегда имеющее электрическую и магнитную составляющие одновременно, создаваемые их общие источники: переменные во времени электрические заряды и токи».

Эта плоская поляризованная волна из Википедии может помочь

Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющиеся поперечные колебательные волны электрического и магнитного полей. Эта трехмерная анимация показывает плоскую волну с линейной поляризацией, распространяющуюся слева направо. Обратите внимание, что электрическое и магнитное поля в такой волне находятся в фазе друг с другом, одновременно достигая минимума и максимума.

Это построение математических функций , решений уравнений Максвелла, описывающих распространяющуюся волну.

$$\text{electric field}: E = E_m\sin(kx - \omega t) \\\\\\\ \text{magnetic field}: B = B_m \sin(kx - \omega t)$$

Чтобы соответствовать уравнениям Максвелла, эти решения должны быть связаны соотношением

$$\frac{E_m}{B_m} = c$$

$E$а также$B$перпендикулярны друг другу и синхронно увеличиваются и уменьшаются по мере распространения волны. Заявление

изменение электрического поля вызывает изменение магнитного поля, которое затем вызывает изменение электрического поля, и так далее и тому подобное.

относится к этому графику, где электрические и магнитные поля увеличиваются и уменьшаются синхронно.

Ускорение заряженных частиц порождает электромагнитные волны, а затем волны становятся независимыми от породившего их источника электрического поля и распространяются согласно уравнениям.

Это классический каркас.

В рамках квантовой механики волна создается огромным количеством фотонов, генерируемых ускоренными электронами в антенне, но это уже другая история.

Уравнения Максвелла в вакууме:

$$\nabla\cdot\mathbf{E} = 0$$ $$\nabla\cdot\mathbf{B} = 0$$ $$\nabla\times\mathbf{E} = -\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\nabla\times\mathbf{B} = \frac{1}{c^2}\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}$$ Последние два из них приводят к интерпретации, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле и наоборот. Но вы всегда можете взять завиток обоих этих уравнений, использовать два других и получить простые, прямолинейные волновые уравнения отдельно для $\mathbf{E}$а также $\mathbf{B}$: $$\nabla^2\mathbf{E} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} = 0$$ $$\nabla^2\mathbf{B} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} = 0$$ Хотя эти волновые уравнения означают, что $\mathbf{E}$а также $\mathbf{B}$распространяются как обычные волны, они все еще ограничены первоначальными соотношениями; мы не волшебным образом заставили эту зависимость исчезнуть.

Таким образом, хотя правильно сказать, что изменяющиеся магнитное и электрическое поля порождают друг друга (одновременно), также правильно сказать, что каждое из них распространяется как отдельная волна, но везде связано с другим исходными уравнениями Максвелла. .

Действительно, когда заряд ускоряется, он создает как переменное электрическое, так и магнитное поле в своем положении. Тогда вы можете сказать, что они обе распространяются как обычные волны, но (повторяю) всегда ограничены уравнениями Максвелла, чтобы быть взаимозависимыми.

«изменяющееся магнитное поле не создается изменяющимся электрическим полем, а вместо этого просто всегда присутствует перпендикулярно изменяющемуся электрическому полю из-за законов электромагнетизма».

Итак ... это связано, но не вызвано . В чем разница?

Краткий ответ: это не просто «вещь», это правильная вещь.

Гораздо яснее это выражено в дифференциальной форме уравнений Максвелла:

$$\nabla \times \mathbf{E} = - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \left( \mathbf{j} + \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}\right) \,.$$

И в то время как магнитные поля могут быть вызваны либо током, либо изменяющимися электрическими полями, свет будет счастливо путешествовать в свободных от заряда областях пространства, поэтому нет никаких сомнений в том, какой член работает в электромагнитных волнах.

Ефименко считал, что изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля не вызывают друг друга, потому что уравнения Максвелла только дают соотношение между полями в один и тот же момент времени. Он сказал, что уравнение для поля E не предсказывает будущее значение поля B — оно просто говорит вам, что такое поле B, если вы знаете поле E. Это отличается от расчета полей E и B по более ранним положениям и движениям заряда с использованием уравнений запаздывающего поля, которые явно представляют собой причинно-следственную связь.

Однако, принимая уравнение Максвелла:

$$\nabla\times\mathsf{E_{present}} = -\frac{\partial\mathsf{B_{present}}}{\partial t}$$

Перепишите скорость изменения B как:

$$\frac{B_{future}-B_{past}}{dt}$$

Подставьте это выражение и переставьте члены в уравнении Максвелла, чтобы получить:

$$B_{future}= B_{past}-dt{(\nabla\times\mathsf{E_{present}}})$$

Точно так же использование уравнения Максвелла для завитка B дает:

$$E_{future}= E_{past}+c^2dt{(\nabla\times\mathsf{B_{present}}})$$

Написанные таким образом, два уравнения Максвелла теперь рассматриваются как предсказательные и причинно-следственные. Это не просто математический трюк, поскольку существует метод численных вычислений, известный как метод конечных разностей во временной области (FDTD), который, поочередно используя каждое уравнение в последовательности шагов по времени, может точно рассчитать, как поля будут распространяться. Он не требует никакой информации о зарядах или токах, создавших начальные поля, только начальное распределение электрических и магнитных полей. Компьютерная программа FDTD обеспечивает хорошую демонстрацию того, как электрическое поле генерирует магнитное поле, а магнитное поле генерирует электрическое поле.