Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 26.Электромагнитные волны. Уравнения, описывающие плоскую электромагнитную волну

26.Электромагнитные волны. Уравнения, описывающие плоскую электромагнитную волну. Связь векторов Е и Н в электромагнитной волне. Скорость распространения ЭМВ в вакууме и в среде. Поток энергии и интенсивность ЭМВ. Объемная плотность энергии ЭМВ. Вектор Умова-Пойнтинга.

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и векторы Н лежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е в направ­лении распространения электромагнитной волны, является плоскостной поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В ес­тественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки, пламени и т.п., складываются неупорядо­ченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, поэтому направление Е не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматривать как наложение плоскополяризо­ванных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным перпен­дикулярным лучу направлениям. На рис. 25.1 показаны в неко­торый момент времени сечение луча О и проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную лучу.

Если выбрать две любые взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроецировать векто­ры Е на плоскости, то в среднем эти проекции будут одинаковыми. Поэтому луч естественного света удобно изображать как прямую, на которой расположено одинаковое число тех и других проекций в виде черточек и точек (рис. 25.2, а). Таким образом, прямая с черточками (рис. 25.2, б) или точками (рис. 25.2, в) обозначает луч плоскополяризованного света.

Луч света, состоящего из естественной и поляризованной сос­тавляющих и называемого частично поляризованным, условно показан на рис. 25.2, г, д, причем соотношение числа черточек и точек отражает степень поляризации, т.е. долю интенсивности поляризованной составляющей относительно полной интенсивности света. Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е и соответственно Н на некоторую плос­кость — главную плоскость поляризатора. При этом через поляризатор проходит поляризованный свет, ин­тенсивность которого равна половине интенсивности падающего света. При вращении поляризатора относительно луча естествен­ного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоско­поляризованного света, но интенсивность его не изменяется. Поля­ризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрического вектора eq падает на анализатор, то он пропустит только некото­рую составляющую, равную E=E₀*cos ф

где ф — угол между главными плоскостями поляризатора Р и ана­лизатора А (рис. 25.3).

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату ампли­туды колебаний, то I=I₀*cos²ф, где Iо — интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор; I— интенсивность света, вышедшего из анализатора. Уравнение выражает закон Малюса.

Как видно из закона Малюса, при повороте анализатора отно­сительно луча падающего плоскополяризованного света интенсив­ность вышедшего света изменяется от нуля до I₀. Если при пово­роте анализатора относительно падающего луча как оси вращения интенсивность прошедшего света не изменяется, то свет может быть естественным; если при этом интенсивность изменяется по закону (25.2), то падающий свет — плоскополяризованный.

Cуществуют некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздва­ивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления и поэтому этот луч называют обыкно­венным, для другого — не выпол­няются и луч называют необыкно­венным.

Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У.Николем

Николь представляет собой призму из исландского шпата, раз­резанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом К . Для него п = 1,550; это значение лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обыкновенного (о) луча на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из крис­талла. Необыкновенный (е) луч выходит из николя параллельно нижней грани.

На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита (сернокислый иод-хинин) и некоторых дру­гих кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением могут поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой (дихроизм).

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на крис­таллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор Р — ана­лизатор А (рис. 25.10), которые поставлены скрещенно, т.е. их главные плоскости взаимно перпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает в соответствии с законом Малюса (^ = 90°) плоскополяризованный свет.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварце­вую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. Если же анализа­тор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затем­нения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

Используя в опыте свет различной длины волн, можно обнару­жить дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию), т.е. зависимость угла поворота от длины волны. Квар­цевая пластинка толщиной 1 мм поворачивает плоскость поляриза­ции приблизительно на следующие углы (табл. 25).

Существует две модификации кварца, каждая из которых пово­рачивает плоскость поляризации в определенном направлении: по часовой стрелке — правовращающий (положительный) кварц, про­тив часовой стрелки — левовращающий (отрицательный).

Оптически активными являются также многие некристалличес­кие тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы опти­чески активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).