37. Электромагнитные волны.

Электромагнитные волны, электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Электромагнитные волны было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света с во все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения Электромагнитные волны в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой Электромагнитные волны В 1888 максвелловская теория Электромагнитные волныполучила подтверждение в опытах Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения.   Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что это не излучения различной природы, а Электромагнитные волны с различной длиной волны. Частота w колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны l соотношением: l= 2pс/w.Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излучение находят своё место в единой шкале Электромагнитные волны(рис.), причём между соседними диапазонами шкалы Электромагнитные волны нет резкой границы.   Особенности Электромагнитные волны, законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями. Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды е и токи I, то изменение их со временем t приводит к излучению Электромагнитные волны На скорость распространения Электромагнитные волны существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракцияволн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственныеволнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E (t) и H (t),определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. Поляризация волн) и другие особенностиЭлектромагнитные волны задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой — свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла, приводят к волновым уравнениям:    ;  ,   описывающим распространение плоских монохроматических Электромагнитные волны:    Е = E₀ cos (kr — wt + j)    Н = H₀ cos (kr — wt + j).   Здесь e — диэлектрическая проницаемость, mÑ — магнитная проницаемость среды, E₀ и H₀ — амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w — частота этих колебаний, j — произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор, r — радиус-вектор точки; Ѳ — Лапласа оператор.   Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические либо магнитныесвойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихсяЭлектромагнитные волны может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны.Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. Радиоволновод, Световод,Квазиоптика).   Характер изменения во времени Е и Н определяется законом изменения тока I и зарядов e, возбуждающихЭлектромагнитные волны Однако форма волны в общем случае не следует I (t) или e (t). Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и Электромагнитные волны распространяются в линейной среде (электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н). Простейший случай — возбуждение и распространениеЭлектромагнитные волны в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной l << l, по которому протекает ток I = I₀ sin wt). На расстоянии от диполя много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические Электромагнитные волны Они поперечные и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации (см. Излучение и приём радиоволн).   В изотропном пространстве скорость распространения гармонических Электромагнитные волны, т. e. фазовая скорость  . При наличии дисперсии скорость переноса энергии с (групповая скорость) может отличаться отv. Плотность потока энергии S, переносимой Электромагнитные волны, определяется Пойнтинга вектором: S =(с/4p) [ЕН]. Т. к. в изотропной среде векторы Е и Н и волновой вектор образуют правовинтовую систему, то Sсовпадает с направлением распространения Электромагнитные волны В анизотропной среде (в том числе вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения Электромагнитные волны   Появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволило достичь напряжённости электрического поля вЭлектромагнитные волны, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теорииЭлектромагнитные волны При распространении Электромагнитные волны в нелинейной среде (e и m зависят отЕ и Н) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Электромагнитные волны они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной Электромагнитные волны характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н(разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная Электромагнитные волны далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено главным образом затуханием. Большинство нелинейных сред, в которых Электромагнитные волны распространяются без сильного поглощения, обладает значительной дисперсией, препятствующей образованию ударныхЭлектромагнитные волны Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких см додлинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии (см. Нелинейная оптика, Параметрические генераторы света).   Электромагнитные волны различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения Электромагнитные волны от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениямиэлектродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощениеЭлектромагнитные волны могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.   Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в само представление об Электромагнитные волны Во многих случаях электромагнитное излучение ведёт себя не как набор монохроматических Электромагнитные волныс частотой w и волновым вектором k, а как поток квазичастиц — фотонов с энергией   и импульсом   (  — Планка постоянная). Волновые свойства проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные — в фотоэффекте и Комптона эффекте.