2.5 Электромагнитные волны

2.5.1 Ориентация векторов ив электромагнитной волне

☻ Электромагнитная волна – это самостоятельно существующее и распространяющееся свободное электромагнитное поле. Частота, мощность и направленность распространения такого поля задаются источником, но после своего излучения оно распространяется без поддержки источника в виде поперечной электромагнитной волны. В такой волне векторы ипри своих колебаниях всё время ориентированы поперечно к направлению распространения волны

, .

Кроме того в ходе колебаний эти векторы всё время перпендикулярны друг другу и образуют с направлением правый винт

.

2.5.2 Уравнение плоской электромагнитной волны

При прохождении монохроматической электромагнитной волны частотой векторыив данной фиксированной точке пространства испытывают синфазные и только синфазные гармонические колебания с этой же частотой

, .

Из условия синфазности следует, что в тех точках пространства, где должно быть и, аналогично и по амплитудным значениями. Это значит, что векторная волна электрического поляпространственно совпадает с векторной волной магнитного поля, но только при этом векторыиколеблются во взаимно - перпендикулярных плоскостях, как это показано на Рис 2.5.2.

Рис. 2.5.2

Электромагнитная волна

Если источником задается одно единственное направление для излучения электромагнитной волны, то фронт волны будет плоским, а волна одномерной, как для вектора, так и для вектора. В этом случае волну можно представить двумя уравнениями, соответственно

, ,

, .

2.5.3 Плотность энергии поля в электромагнитной волны

☻ Переменные поля и, образующие волну, обладают энергией. Существенным является то, что плотность энергии этих полейиодинакова. Приэто приводит к более конкретному выражению плотности общей энергии волны

или иначе

.

В частности для одномерной волны

,

где амплитуда плотности энергии определяется амплитудными значениямии, соответственно

.

Таким образом плотность энергии электромагнитной волны в данной точке пространства всегда положительна, но колеблется с удвоенной частотой и её среднее значение составляет половину амплитудного

.

2.5.4 Вектор Пойтинга

Поскольку электромагнитная волна не только обладает энергией, но и переносит её со скоростью

,

то очевидно векторные величины

, ,

выражают соответственно мгновенную и усреднённую плотность потока энергии электромагнитного поля в направлении распространения волны. После подстановки и преобразований следует

, ,

где – вектор Пойтинга, а– его усреднённое значение, которое часто называется интенсивностью электромагнитной волны. Обе величиныив системе СИ измеряется в.