Энергия, переносимая электромагнитной волной, вектор Умова-Пойтинга.

Как уже отмечалось ранее, в результате волнового процесса переноса вещества на расстояния больше не происходит, однако волновой процесс характеризуется переносом энергии в окружающую среду. Попробуем выяснить, какова связь между энергией, переносимой волной и ее основными характеристиками.

Данный вопрос впервые был рассмотрен Н.А.Умовым в 1874 году для упругой волны. При этом переносимая энергия выражалась через потенциальную энергию деформации и кинетическую энергию движения частиц среды в упругой волне.

Плотность потока выражалась векторной величиной , направление вектора определяло направление потока энергии, длина – плотность потока (Энергию, проходящую через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока энергии за единицу времени).

=[Дж/с*м²]=[Вт/м²].

Аналогичные рассуждения пригодны в случае ЭМВ для которых вектор S впервые был введен Пойтингом в 1884 году.

Плотность энергии электрического и магнитного полей может быть записана как:

их сумма является полной энергией поля, а ее изменение во времени – потоком.

Соотношение

показывает, что плотность электрической энергии в волне равна плотности магнитной энергии, поэтому общая плотность энергии w может быть записана как:

тогда

.

Как уже отмечалось, векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют направлением распространения волны правовинтовую систему, значит направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энергии, а его модуль равен ЕН, поэтому вектор S может быть представлен как

S=[ЕН]

Вектор S называют вектором Пойтинга (иногда – Умова-Пойтинга.)

В случае бегущей гармонической ЭМВ плотность энергии будет равна:

скорость будет определяться как

Плотность потока энергии при этом будет равна

Интенсивность такой волны будет равна среднему значению плотности потока энергии. I=<S>, а учитывая <cos²>=1/2

т.е. интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды.

Поляризация волны.

Поскольку ЭМВ является поперечной, возможны несколько вариантов расположения электрического вектора. Хаотическое распределения вектора по всем направлениям со случайным изменением фазы характерно для естественного света. В случае, если вектор колеблется в одной плоскости, то мы имеем дело с линейно поляризованным светом. Если вектор колеблется в двух направлениях с определенным сдвигом по фазе, то получается так называемая эллиптическая поляризация, при которой электрический вектор прецессирует вокруг направления распространения волны. Частным случаем эллиптической поляризации является круговая поляризация, для которой характерен сдвиг по фазе, равный /4.