9 Волновые процессы. Уравнение бегущей волны. Фазовая и групповая скорости.
Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.
Бегущими волнами называются волны, которые переносят в пространстве энергию. Для вывода уравнения бегущей волны — зависимости смещения колеблющейся частицы от координат и времени — рассмотрим плоскую волну, предполагая, что колебания носят гармонический характер, а ось х совпадает с направлением распространения волны (рис. 220). В данном случае волновые поверхности перпендикулярны оси х, а так как все точки волновой поверхности колеблются одинаково, то смещение будет зависеть только от x и t, т. е. = (x, t). На рис. 220 рассмотрим некоторую частицу В среды, находящуюся от источника колебаний О на расстоянии х. Если колебания точек, лежащих в плоскости х=0,описываются функцией (0, t) = A cos t, то частица В среды колеблется по тому же закону, но ее колебания будут отставать по времени от колебаний источника на , так как для прохождения волной расстояния х требуется время = x/v, где v — скорость распространения волны. Тогда уравнение колебаний частиц, лежащих в плоскости х, имеет вид
(154.1)
откуда следует, что (х, t) является не только периодической функцией времени, но и периодической функцией координаты х. Уравнение (154.1) есть уравнение бегущей волны. Если плоская волна распространяется в противоположном направлении, то
Фазовая скорость есть скорость перемещения силовой характеристики поля (например, напряженности электрического поля).
Групповая скорость есть скорость перемещения интерференционной картины, образованной группой волн различных частот, распространяющихся в одном направлении. Групповая скорость не имеет никакого отношения к переносу энергии этими волнами.
Скорость переноса энергии монохроматической волной всегда совпадает по направлению с фазовой скоростью. В однородной безграничной среде она всегда равна по величине фазовой скорости. Показано, что при наличии граничных условий (например, в диэлектрическом или металлическом волноводах, в замедляющих структурах и т.д.) скорость переноса энергии имеет простую связь с фазовой скоростью, но никогда не может превышать скорость света.
10. Электромагнитные волны
ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНЫЕ ВО́ЛНЫ- электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Электромагнитной волной называют распространяющееся электромагнитное поле. Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т.е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.