Электромагнитные волны

СВЕТ КАК ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА. ИЗЛУЧЕНИЕ ДИПОЛЯ

План лекции:

1.Понятие об электромагнитной волне. Волновые уравнения для электромагнитной волны. Плоская электромагнитной волна.

2.Плотность энергии электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга. Интенсивность электромагнитной волны.

3.Опыты Герца. Опыт Лебедева. Излучение диполя.

1.Понятие об электромагнитной волне. Волновые уравнения для электромагнитной волны. Плоская электромагнитной волна.

Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, а

переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле. Поэтому,

если заряды будут двигаться с ускорением, то появится одновременно электрическое и магнитное поле, то есть будет излучаться электромагнитная волна,

распространяющаяся в пространстве со скоростью света.

Электромагнитная волна ‒ распространяющееся в пространстве

Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна в среде за

время одного периода колебаний Т, называется длиной волны и определяется как

Электромагнитная волна называется монохроматической, если ее векторы E иН совершают гармонические колебания постоянной одинаковой частоты,

называемой частотой волны. Электромагнитная волна может иметь любое значение частоты.

Классификация волн по частоте называется шкалой электромагнитных волн.

Таблица 1‒ Шкала электромагнитных волн

В соответствии с частотой существуют разные способы возбуждения электромагнитных волн. Электромагнитное излучение возникает в следующих случаях.

1.Изменяющиеся со временем электрические токи порождают электромагнитное излучение. В этом случае излучающей системой является открытый колебательный контур, в частности, вибратор Герца (радиоволны низкой частоты).

2.Отдельные ускоренно движущиеся электрически заряженные частицы испускают электромагнитные волны. Это происходит, например, вследствие процессов, совершаемых в ламповых или полупроводниковых приборах

(радиоволны высокой частоты). Торможение быстрых электронов в веществе также вызывает излучение (тормозное рентгеновское излучение).

3. Электромагнитное излучение создают атомы, молекулы и другие квантовые системы при квантовых переходах. Все волны оптического излучения

(инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение), а также

2

рентгеновское излучение (характеристическое) связаны с переходами атомов из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Гамма-излучение испускается атомными ядрами.

На большом расстоянии от излучателя электромагнитные волны будут плоскими. Волновые уравнения плоской гармонической электромагнитной волны,

распространяющейся вдоль оси Х, записываются как

Основные свойства электромагнитных волн:

1. скоростью распространения υ электромагнитной волны в среде называется фазовая скорость (скорость распространения фазы колебаний):

2. векторы напряженностей и Н электрического и магнитного полей волны и вектор скорости распространения волны ur взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему, рис. 1. Это свойство электромагнитной волны не зависит от выбора координатной системы;

определенная связь, а именно:

2.Плотность энергии электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга.

Интенсивность электромагнитной волны.

Электромагнитные волны переносят в пространстве энергию. Энергия

электромагнитного поля W – это количественная характеристика электромагнитного взаимодействия:

(7)

Количество энергии электромагнитного поля характеризуется объемной плотностью энергии. Плотность энергии электромагнитного поля складывается из плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля.

По модулю вектор П определяет энергию, переносимую волной в единицу

времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

где υ – фазовая скорость волны, равная скорости переноса энергии (при отсутствии дисперсии). Направление вектора П совпадает с направлением переноса

энергии, т.е. с направлением распространения электромагнитной волны.

Единица плотности потока энергии электромагнитной волны в СИ – ватт на метр в квадрате (Вт/м2).

Скалярная величина I, равная модулю среднего значения вектора Пойтинга,

4

называется интенсивностью электромагнитной волны:

3. Излучение диполя. Опыты Герца. Опыт Лебедева.

Простейшей излучающей системой является электрический диполь.

Интенсивность излучения диполя пропорциональна четвертой степени частоты и зависит от направления излучения. Интенсивность излучения максимальна в направлении, перпендикулярном оси диполя. В направлении оси диполь не излучает энергию.

Чтобы получить свободные электромагнитные волны, необходимо создать в пространстве достаточно быстро изменяющееся электрическое поле или соответственно быстро изменяющееся магнитное поле.

Г. Р. Герц в 1888 г. использовал прибор с искровым промежутком (вибратор Герца), в котором на короткое время возникали колебания заряда; при этом генерировались электромагнитные волны с частотой порядка 109 Гц.

Рисунок 2‒ Вибратор Герца

Открытый колебательный контур представляет собой два металлических стержня с двумя металлическими шарами на концах и небольшим искровым промежутком (С) посередине. Источником возбуждения электромагнитных колебаний в вибраторе является индукционная катушка (ИК). Индукционная

5

катушка представляет собой высокочастотный трансформатор. Провода от вторичной обмотки ИК подключаются к искровому промежутку. Когда переменное напряжение во вторичной обмотке катушки достигнет значения пробивного напряжения, в искровом промежутке проскакивает искра, в вибраторе возникают электромагнитные колебания, сопровождающиеся излучением электромагнитных волн. Период таких колебаний, а следовательно, и длина волны, а также частота излучения электромагнитных волн, задаются размерами вибратора. Закономерности электрических колебаний в вибраторе оказываются такими же, как закономерности механических колебаний струны. Излучение диполя Герца подобно излучению диполя, с той лишь разницей, что переменный электрический момент р диполя задается колебаниями зарядов q, а не периодическими изменениями расстояния между ними. Колебания в вибраторе совершает не одна частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора

(см. рис. 2). Интенсивность излучения вибратора, так же, как интенсивность излучения диполя, пропорциональна четвертой степени частоты и с увеличением частоты очень быстро возрастает.

Отметим, что многие современные вибраторные антенны сохранили конструктивные особенности вибратора Герца.

Опыт Лебедева. Максвелл теоретически показал, что электромагнитные волны, отражаясь или поглощаясь в телах, на которые они падают, оказывают на них давление. Это давление возникает в результате воздействия магнитного поля волны на электрические токи, возбуждаемые электрическим полем той же волны.

Давление электромагнитной волны на тело определяется выражением

где ρ – коэффициент отражения электромагнитной волны – отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей (при полном отражении ρ = 1, при полном поглощении ρ = 0 ); – среднее за период волны значение объемной плотности энергии электромагнитного поля.

Давление электромагнитного излучения обычно очень мало. Например,

6

давление солнечного излучения на Земле составляет около 10-6 Па, что в 1010 раз меньше атмосферного давления. Экспериментальное доказательство существования давления электромагнитных волн, подтвердившее теорию Максвелла, было получено П. Н. Лебедевым. В 1899 г. он обнаружил и измерил давление света на твердые тела, а в 1910 г. – на газы. В эксперименте, выполненном в 1899 г., объект исследования имел вид подвижного крылышка. Лебедев обнаружил поворот этого крылышка под действием падающего на него света. Величина светового давления оказалась соответствующей формуле (14).

Давление света играет большую роль в астрофизике и атомных явлениях.

Например, наряду с давлением газа давление света обеспечивает стабильность звезд, противодействуя силам гравитации.

7