7. Излучение электромагнитных волн

Впервые электромагнитные волны получены Герцем в 1888 г. Он использовал вибратор, состоящий из двух стержней, разделенных искровым промежутком. Под действием высокого напряжения в искровом промежутке вибратора проскакивала искра и возникали колебания.

За время существования искры происходило большое число колебаний, порождающих цуг (группу) электромагнитных волн с длиной волны от 0,1 м до 10 м. Он же обнаружил отражение, преломление и взаимную перпендикулярность и электромагнитных волн.

Опыты Герца были продолжены Лебедевым, Поповым, Марккони и др.

Простейшим излучателем электромагнитных волн является электрический диполь, у которого электрический дипольный момент изменяется по закону

, (27)

где р₀ = q ;  плечо диполя; q  абсолютная величина заряда диполя.

Если размеры диполя малы по сравнению с длиной волны ( << ), то такой диполь называют элементарным.

Картина возникшего электромагнитного поля вблизи диполя довольно сложна, но на расстоянии r >>  (волновая зона диполя) она значительно упрощается.

Если волна распространяется в однородной изотропной среде, то волновой фронт в волновой зоне является сферическим.

Векторы и в каждой точке пространства взаимно перпендикулярны и перпендикулярны лучу, т. е. радиус-вектору , проведенному в данную точку из центра диполя.

Амплитуды ₀ и ₀ зависят от расстояния r до излучателя и от угла   между осью диполя и направлением радиус-вектора, т. е. в вакууме

Е₀  Н₀  .

Среднее значение плотности потока электромагнитной энергии (вектор Пойнтинга) пропорционально произведению Е₀Н₀.

Следовательно, интенсивность электромагнитной волны

J  < П >  .

Максимальное излучение диполя происходит в направлении, перпендикулярном оси диполя ( = 90⁰), рис. 8, где показана диаграмма направленности излучения диполя.

Рис.8

Вторая производная электрического дипольного момента,

,

где а  ускорение движения заряда.

Тогда средняя мощность

< N >  q²а².

Последнее выражение определяет мощность излучения не только при колебаниях заряда, но и при произвольном его ускоренном движении, т. к. любой заряд при ускоренном движении излучает электромагнитные волны.

Заряд, совершающий гармонические колебания, излучает монохроматическую волну с частотой, равной частоте колебания заряда.

Электрон же, движущийся с постоянной скоростью, не излучает электромагнитные волны.

Это справедливо лишь в случае, если скорость электрона не превосходит скорости света в веществе, в которой движется электрон.

Поэтому при v > v_св в веществе наблюдается излучение ВавиловаЧеренкова.

8. Стоячие электромагнитные волны

Пусть распространяются две плоские одинаковые монохроматические электромагнитные волны навстречу друг другу вдоль оси У.

Векторы напряженности этих волн лежат в одной плоскости и совершают колебания по гармоническому закону:

E₁ = E₀ sin (t – kу), (28)

E₂ = E₀ sin (t + kу). (29)

После сложения результирующий вектор напряженности электрического поля по модулю электромагнитной волны принимает вид:

E_рез = 2E₀ сos kуsin t, (30)

Результирующий вектор индукции магнитного поля по модулю электромагнитной волны принимает вид:

Рис. 9

В_рез = –2E₀/c sin kуcos t. (31)

Из анализа полученных уравнений следует: 1. процесс распространения волн локализован в некоторой области и называется стоячей электромагнитной волной; 2. Волна не является бегущей;

3. В стоячей волне оба поля сдвинуты по фазе на /2.

Из этого следует, что в стоячей волне происходит превращение электрической энергии в магнитную энергию, а затем, магнитной энергии в электрическую энергию. В бегущей же волне, из-за сифазности, не происходит превращение электрической энергии в магнитной энергию. На рис. 9 точки 1 и 3 являются магнитными пучностями; точки 0, 2, 4 – являются магнитными узлами; точки 0, 6, 8 – являются электрическими пучностями; точки 5, 7 – являются электрическими узлами. Распространенным способом получения стоячих электромагнитных волн является зеркальное отражение перпендикулярно падающей волны. В своих опытах о взаимодействии света с веществом Винер использовал стоячие электромагнитные волны и доказал, что основную роль играет вектор , а не вектор .