4 Электромагнитные волны

Как уже отмечалось (лекция № 11), существование электромагнитных волн следует из электромагнитной теории Дж. Максвелла и подтверждено экспериментально в опытах Г. Герца. Электромагнитная волна представляет собой переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный ток. Практическое применение электромагнитных волн началось с работ А.С. Попова.

Уравнение плоской электромагнитной волны имеет вид:

E=E₀ sin(t-kх+₀) (12.7)

H=H₀ sin(t-kх+₀)

Здесь E₀ и H₀ – соответственно амплитудные значения напряженностей электрического и магнитного полей,  - циклическая частота волны, k=2π/λ – волновое число. Можно показать, что колебания векторов напряженностей электрического и магнитного полей происходят в одной фазе (они одновременно достигают максимального значения и одновременно обращаются в нуль). Поэтому начальную фазу ₀ можно принять равной нулю.

Электромагнитная волна является поперечной: колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных направлениях перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Электромагнитная волна графически представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 - Графическое изображение электромагнитной волны

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме υ=с=3·10⁸ м/с.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде с относительной диэлектрической проницаемостью ε и относительной магнитной проницаемостью μ равна:

, (12.8)

где ε₀ и μ₀ электрическая и магнитная постоянные.

Показатель преломления среды n=c/v показывает, во сколько раз скорость электромагнитных волн в веществе меньше, чем в вакууме.

Электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (или длин волн λ=с/ν) и отличаются по способам генерации и свойствам. Различают радиоволны (λ=10³–10^-4 м), световые волны (λ=5×10^-4–10^-9 м), рентгеновское излучение (λ=2×10^-9–6×10^-12 м) и γ-излучение (λ<6×10^-12 м). Световые волны в диапазоне длин волн λ=8×10^-7–4×10^-7 м воспринимается сетчаткой человеческого глаза и называются видимым светом.

Электромагнитные волны переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны складывается из объемных плотностей w_эл и w_м электрического и магнитного полей:

. (12.9)

Количественно перенос энергии волной характеризует вектор Умова–Пойнтинга . Направление вектора Умова-Пойнтинга совпадает с направлением переноса энергии, а его модуль равен энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Контрольные вопросы

1. Какое колебание называется гармоническим? Запишите уравнение гармонического колебания.

2. Дайте определения параметров колебаний.

3. Почему колебания во всех реальных системах являются затухающими?

4. Что такое волны? Запишите уравнение волны.

5. Какие волны Вы знаете?

6. Что такое упругие волны?

7. Где применяется ультразвук?

8. Приведите примеры продольных и поперечных волн.

9. Дайте определение явления интерференции волн. Приведите примеры интерференции упругих волн и волн на поверхности жидкости.

10. Дайте определение явления дифракции волн. Приведите примеры дифракциии упругих волн и волн на поверхности жидкости.

11. Что такое электромагнитные волны?

12. Опишите шкалу электромагнитных волн

Лекция № 13