Электромагниттік толқынның қысымы, электромагниттік өріс импульсі
Егер
электромагниттік толқындар денеде
жұтылып немесе шағылатын болса, (бұл
құбылыстар Герц тәжірибесі арқылы
дәлелденген), Максвелл теориясы бойынша
электромагниттік толқындар денеге
қысым түсіруі тиіс. Электромагниттік
толқындардың қысымын былай түсіндіруге
болады: толқынның электр өрісінің
әсерінен заттың бөлшектері тәртіпті
қозғалысқа түсе бастайды және магнит
өрісі тарапынан толқын Лоренц күшінің
әсеріне ұшырайды. Бірақ, бұл қысымның
мәні өте аз. Күндік сәулелеудің орта
қуаттылығы кезінде, жерге түсірілген
қысым 5 мкПа-ға тең. Электромагниттік
толқындардың қысымының болуы,
электромагниттік өріске механикалық
импульс тән екенін көреміз. Электромагниттік
өрістің импульсі
мұндағы W
– электромагниттік өріс энергиясы.
Бақылау сұрақтары.
Электромагниттік өріс үшін толқындық теңдеу.
Электромагниттік толқындардың қасиеттері.
Электромагниттік толқынның фазалық жылдамдығы.
Электромагниттік өрістің импульсі өрнегін жазып көрсетіңіз.
Электромагниттік толқынның қысымы.
векторы Умов – Пойнтинг векторы дегеніміз не және өрнегін көрсетіңіз.
Лекция 13
Оптика - жарықтың табиғатын, жарық құбылыстарын және жарықтың затпен әсерлесуін оқытатын физика бөлімі.
Оптикалық сәуле шығару электромагниттік толқын түрінде болады, сондықтан оптика электромагниттік өріс туралы жалпы ілімнің бір бөлігі болып саналады.
Қарастырылып отырған құбылысының аумағына қарап оптиканы геометриялық (сәулелік) толқындық (физикалық), кванттық (корпускулярлық) деп бөледі.
Геометриялық оптиканың негізгі заңдары:
Жарық табиғатын әлі толық білмеген кездің өзінде келесі заңдар белгілі болған:
Ж
арықтың
түзу сызықты таралуы
– біртекті оптикалық ортада жарық түзу
сызықты таралады.
Жарық сәулесі – бойымен жарық энергиясы тасылатын сызық. Біртекті ортада жарық сәулесі түзу сызықты береді.
Ж
І
Шағылу заңы – шағылған сәуле, түскен сәуле және екі ортаны бөліп тұрған шекарадағы
түсу нүктесіне жүргізілген перпендикуляр
бір
жазықтықта жатады;
шағылу бұрышы
түсу
бұрышына тең .
Сыну заңы – түскен сәуле, сынған сәуле және екі ортаны бөліп тұрған шекараның түсу нүктесіне жүргізілген перпендикуляр бір жазықтықта жатады; түсу бұрышының синусының, сыну бұрышының синусына қатынасы берілген орта үшін тұрақты шама.
м
-
екініші ортаның бірінші ортамен
салыстырғандағы
Сонымен, сыну заңы мына түрге келеді.
Ортаның абсолют сыну көрсеткіші деп электромагниттік толқынның вакуумдағы с жылдамдығының, ортадағы υ фазалық жылдамдығына қатынасына тең шамасын айтады.
болғандықтан,
,
мұндағы
және
- сәйкес ортаның электрлік және магниттік
өтімділігі.
Толық шағылу.
Е
гер
жарық сыну көрсеткішті
үлкен ортадан (оптикалық тығыздау) сыну
көрсеткіші
аз ортаға тараса (оптикалық тығыздығы
аздау), (мысылы шыныдан ауаға немесе
судан ауаға) онда
Сонымен,
сыну
бұрышы
түсу бұрышынан үлкен. Түсу бұрышын
үлкейте отырып, кейбір шекті бұрышта
сыну
бұрышы
тең болады. Түсу бұрышы
болған кезде барлық түскен жарық
толығымен
шағылады.
бұрышта сәуле сынбайды, ол бірінші
ортада толық шағылады, әрі шағылған
және түскен сәулелердің интенсивтілігі
бірдей.
Бұл құбылыс жарықтың толық ішкі шағылуы деп аталады.
Шекті бұрыш мына қатынаспен анықталады.
Толық шағылу құбылысы толық шағылу призмасында және жарық тасушыларда(световодах) қолданылады.
Жарық интерференциясы
Г
юйгенс
принципі.
Жарықтың толқындық теориясы Гюйгенс принципіне негізделеді: толқын жеткен әрбір нүкте екінші толқын центрі болады, ал осы толқынды орайтын орын келесі уақыт мезетіндегі толқындық фронты береді.
Жарықтың
шағылу және сынуы заңдары Гюйгенс
принципін пайдаланып оңай қорытуға
болады.
Екі
ортаны бөліп тұрған шекараға І бағыт
бойында тарайтын жазық толқын (АВ –
жазық толқын) түседі делік. Фронт ВС
қашықтықты өткенше (
уақыт ішінде), екінші реттік толқын
фронты А нүктесінен АД қашықтықты өтеді.
Шағылу
кезінде:
.
Сонымен
.
Сыну
кезінде : t
уақытта түскен толқын фронты
аралығын
жүріп өтеді, ал сынған толқын фронты -
.
Мына қатынастан
шығатыны
Когеренттілік.
Когереттілік дегеніміз бірнеше тербелмелі немесе толқындық үрдістердің уақыт және кеңістік бойынша үйлесімді өтуі.
Монохроматтық толқын – кеңістікте бір анықталған және тұрақты жиілікпен шектелмеген толқын когерентті деп саналады.
Нақты
толқын көзі монохроматты жарық бермейді,
онда тәуелсіз толқын көздері шығаратын
толқындар барлық уақытта когерентті
емес. Жарық көзінде жарықты атомдар
шығарады, оның әрқайсысы
уақыт ішінде ғана жарық шығарады. Осы
уақыт ішіндегі атом шығарған толқынның
амплитудасы мен фазасы тұрақты болады.
Монохроматты емес жарықты бір-бірін
алмастыратын атомдар шығатын, қысқа
гармониялық импульстардың жиыны деп
қабылдауға болады – толқындық цугтер.
Бір
цугтың орташа ұзақтығы
когеренттілік
уақыты деп аталады.
Егер
толқын біртекті ортада тараса, онда
кеңістіктің белгілі нүктесіде тербеліс
фазасы когеренттілік уақыты ішінде
ғана сақталады. Бұл уақыт ішінде толқын
вакуумда
арақашықтыққа тарайды. Бұл когеренттілік
ұзындығы
(немесе цуг ұзындығы деп аталады).
Сондықтан жарық интерференциясын
пайдаланған жарық көзі үшін когеренттілік
ұзындығынан аз оптикалық жол айырымында
ғана бақылау мүмкін.
Уақытша когеренттілік – бұл тербеліс когеренттілігі кеңістіктің бір нүктесінде ғана жасалатын толқынның монохроматтық дәрежесімен анықталады.
Уақытша когеренттілік берілген нүктедегі толқындағы фазаның жан жаққа шашылуы жеткенше өмір сүреді.
Когеренттілік ұзақтылығы- когеренттілік уақыты ішінде толқынның орын ауыстыру қашықтығы.
Толқын цугның тарау бағытына перпендикуляр жазықтықта екі нүкте арасындағы кездейсоқ фаза айырымының өзгеруі олардың арасындағы арақашықтық өсуіне байланысты өседі. Кеңістіктік когеренттілік – егер осы нүктелерде фаза жан жаққа шашырауы жетсе, тербеліс когеренттілігі уақыттың бір мезетінде бірақ жазықтықтың әртүрлі нүктесінде - жоғалады.
Кеңістіктік когеренттіліктің ұзындығы (когеренттілік радиусы)
мұндағы
-
толқын ұзындығы,
-
фаза айырымы.
Жарық толқынының интерференциясын бақылау мүмкін болу үшін жарық көзі шығаратын жарық толқындары кеңістікті когеренттелген болуы керек.
Жарық интерференциясы.
Жарық
интерференциясы – кеңістікте екі немесе
бірнеше когерентті жарық толқындарының
қосылуынан пайда болады. Бұл кезде
қорытқы толқынның әртүрлі нүктесінде
амплитудасының күшеюі немесе нашарлауы
байқалады. Екі монохромат жарық толқыны
берілген М нүктесінде циклдік жиілігі
ω тең екі тербеліс қоздырсын, әрі М
нүктесіне дейін фазалық жылдамдығы
бірінші толқын сыну көреткіші
ортада
жол өтті, ал фазалық жылдамдығы
екіншісі толқын сыну көрсеткіші
ортамен
жолды
жүріп өтті делік:
,
Қорытқы
тербеліс амплитудасы
Қорытқы
толқынның интенсивтілігі
М
нүктесіндегі қоздырылған тербелістің
фаза айырымы
мынаған
тең
(қорыту
кезінде пайдаланғандар
,
,
-
вакуумдағы толқын ұзындығы).
Жарық толқынының берілген ортадағы геометриялық жолының ұзындығын осы ортаның сыну көрсеткішіне көбейтіндісі оптикалық жол ұзындығы деп аталады
-
айырма, толқынның жүріп өткен жолының
оптикалық ұзындығы оптикалық
жол айырымы
деп аталады.
Интерференциялық максимум шарты:
Егер
оптикалық
жол айырымы вакуумдағы толқын ұзындығының
бүтін санына тең болса (жарты толқынның
жұп санына).
.
онда
М нүктесіндегі қозған тербеліс бірдей
фазада
өтеді.
Интерференциалық минимум шарты.
Егер оптикалық жол айырымы жарты толқын ұзындығының тақ санына тең болса,
онда
,
М нүктесіндегі қозған толқын қарама –
қарсы фазада өтеді.