Тема 4. Електромагнітні хвилі

1. Механічні хвилі.

2. Електромагнітні хвилі.

3. Властивості електромагнітних хвиль.

4. Світло як електромагнітна хвиля.

5. Хвильові властивості світла.

Ключові слова: поперечні і подовжні хвилі, довжина хвилі, період хвилі, частота хвилі, віддзеркалення і заломлення хвиль, інтерференція, дифракція, поляризація, дисперсія світла.

Механічні хвилі

Хвилею називають коливання, що розповсюджуються в просторі з часом.

У повітрі, в твердих тілах і усередині рідин механічні хвилі виникають завдяки силам пружності. Ці сили здійснюють зв'язок між окремими ділянками тіла. В утворенні хвиль на поверхні води грає роль сила тяжкості.

При розповсюдженні хвилі відбувається переміщення певного стану середовища, що коливається, але не перенесення речовини. Коливання води, що виникли в одному місці, наприклад від кинутого каменя, передаються сусіднім ділянкам і поступово розповсюджуються у всі сторони, залучаючи до коливального руху всі нові і нові частинки середовища. Перебіг же води не виникає: переміщається лише форма її поверхні.

Найважливішою характеристикою хвилі є її швидкість. Хвилі будь-якої природи не розповсюджуються в просторі миттєво. Їх швидкість кінцева.

Якщо при розповсюдженні хвилі окремі ділянки простору скоюють коливання в напрямі, перпендикулярному напряму розповсюдження хвилі, то такі хвилі називаються поперечними. Наприклад, коливання шнура, закріпленого за один кінець - поперечні.

Поперечна хвиля Подовжня хвиля

Якщо окремі ділянки скоюють коливання уздовж напряму розповсюдження хвилі, то така хвиля називається подовжньою. Наприклад, коливання, що розповсюджуються в пружині, - подовжні.

!!!Основна властивість всіх хвиль незалежно від їх природи полягає в перенесенні ними енергії без перенесення речовини.

Відстань між найближчими точками простору, що коливаються в однакових фазах, називається довжиною хвилі (). Швидкість хвилі , де Т - період хвилі , де  - частота коливань. Тоді швидкість хвилі .

Електромагнітні хвилі

Експериментальні дослідження електромагнітних коливань в електричних колах показали, що зміни напруги і сили струму передаються від однієї ділянки до іншої з виключно великою швидкістю - близько 300 000 км/с. Ця швидкість у багато разів більше швидкості впорядкованого руху вільних електричних зарядів в провідниках.

Згідно гіпотезі Максвела, одного разу процес зміни електромагнітного поля, що почався в деякій точці, буде далі безперервно захоплювати всі нові і нові області навколишнього простору. Змінне електромагнітне поле, що розповсюджується, і є електромагнітна хвиля.

З теорії Максвела витікає:

1. Існує особлива форма матерії - електромагнітне поле, що характеризується двома векторами: напруженістю і індукцією . В окремому випадку для незмінних (стаціонарних) полів є тільки електричне поле (=0, 0) або тільки магнітне поле (0, =0). В загальному випадку змінного поля обидва вектори не рівні нулю і змінюються одночасно.

2. У вільному просторі змінне електромагнітне поле розповсюджується у вигляді електромагнітної хвилі, біля якої вектори і перпендикулярні один одному і лежать в площині, перпендикулярній напряму розповсюдження хвилі. Трійка векторів , і швидкість взаємно перпендикулярні. Таким чином, у вільному просторі електромагнітна хвиля є поперечною.

3. Швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі в речовині рівна: , де  і  - відповідно електрична і магнітна проникність речовини, _о = 8,854188^.10^-12 Ф/м, _о = 1,2566271^.10^-6 Гн/м – електрична і магнітна постійні.

У вакуумі ( =  = 1) швидкість електромагнітної хвилі ..

Швидкість електромагнітної хвилі у вакуумі як фундаментальна величина позначається буквою с: (швидкість світла).

У діелектрику (  1) швидкість електромагнітної хвилі .

4. Густина енергії електричної компоненти електромагнітного поля і густина енергії магнітної компоненти рівні між собою: _э = _м або .

Звідси слідує: Е² – ²B² = 0, а для вакууму Е² – с²B² = 0 (цей вираз є інваріантом, який не міняється при переході від однієї системи відліку до іншої).

5. Світло є електромагнітною хвилею, і всі властивості електромагнітної хвилі характерні для нього.

Однією з важливих характеристик електромагнітної хвилі є поверхнева густина потоку випромінювання, інакше звана інтенсивністю хвилі. Вона дорівнює середній потужності випромінювання, що переноситься хвилею через поверхню одиничної площі: або I = _срс , де _ср - середня густина енергії електромагнітної хвилі. [_ср] = Вт/м².