2.8. Электромагнитные волны.

Если электрические и магнитные поля изме­няются во времени, то по отдельности их рас­сматривать уже нельзя: взаимное превраще­ние электрических и магнитных полей приводит к появлению электромагнитной волны.

Для среды – однородного и изотропного диэлектрика, не обладающего сегнетоэлектрическими или ферромагнитными свойствами, из уравнений Максвелла можно получить, что векторы напряженностей переменного электромагнитного поля удовлетворяют уравнениям: и , где - оператор Лапласа. Но это уравнения, описывающие волновой процесс, в которых скорость распространения волны определяется коэффициентом, стоящим перед второй производной по времени: Решением этих уравнений является т.н. плоская монохроматическая гармоническая волна: , , где - волновой вектор, указывающий направление распространения волны. Т.о., переменное электромагнитное поле действительно распространяется в пространстве в виде волн. Если волна распространяется в вакууме (), то . Этот результат в точности совпадает с изме­ренным значением скорости света с, что послу­жило основой для создания электромагнитной теории света.

Свойства электромагнитных волн

– Электромагнитные волны – поперечные волны; векторы и лежат в плоскости, перпендикулярной к скорости волны в данной точке поля.

– Векторы и взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны, т.е. скоростью , правовинтовую систему (рис.).

– Взаимно перпендикулярные векторы и колеблются в одной фазе, причем мгновенные значения E и H связаны соотношением: , т.е. они достигают максимума и обра­щаются в нуль в одних и тех же точках в одни и те же моменты времени.

– В вакууме скорость электромагнитной волны равна с и не зависит от частоты.

– Объемная плотность энергии электромаг­нитного поля складывается из объемных плотностей энергии электрического и магнитного полей: . С учетом соотношения, связывающего E и H, получим: .

– Направление распространения электромаг­нитной волны и энергию, переносимую волной в единицу времени через перпен­дикулярно ориентированную площадку единичной площади, опреде­ляет вектор Умова—Пойнтинга, аналогичный вектору Умова, введенному для механической волны,: . Среднее значение модуля этого вектора представляет интенсивность волны.

– Поскольку различные электромагнитные вол­ны имеют общую природу, их можно представить в виде единой шкалы.

Вся шкала условно подразделена на 6 диа­пазонов в порядке уменьшения длины волны (возрастания частоты) :

1. радиоволны (длинные, средние и короткие) (от нескольких км до 0,1 мм);

2. инфракрасное излучение (от 0, 1 мм до 0,74 мкм);

3. видимое излучение (от 0,74 до 0,38 мкм);

4. ультрафиолетовое излучение ( от 0,38 мкм до 1нм (10 ^{- 9}м ));

5. рентгеновское излучение ( от 1 нм=10 Å до 0,1 Å (1Å=10 ^-10м ));

6. гамма-излучение ( короче, чем 0,1Å).

Радиоволны обусловлены переменными то­ками в проводниках и электронными потоками. В инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях излучают атомы, молекулы и быстрые заряженные частицы. Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, γ-излучение имеет ядерное происхождение. Частич­но диапазоны перекрываются, т.к. волны одной и той же длины могут излучаться в разных про­цессах.

ФИЗИКА. Часть 3.