Электромагнитные волны.

6. Плоская монохроматическая волна и её характеристики.

Свет обычно рассматривается как совокупность электромагнитных волн. Плоские монохроматические волны представляют собой лишь один из наиболее простых и, следовательно, удобных для анализа типов волновых процессов.

Монохроматическая волна — строго гармоническая (синусоидальная) волна с постоянными во времени частотой, амплитудой и начальной фазой.

Плоская монохроматическая световая волна распространяется в некоторой среде.

Плоскую монохроматическую электромагнитную волна в вакууме (см.рис.) можно попытаться представить себе как непрерывно заполняющее все пространство множество параллельных плоскостей (волновых фронтов), во всех точках которых лежат описывающие электрическое и магнитное поле векторы E и B.

Величины этих векторов на каждой из таких плоскостей одинаковы, а их направления — взаимно перпендикулярны. Описанный «бесконечный слоеный пирог» несется со скоростью света c в перпендикулярном волновым фронтам направлении, которое принято задавать при помощи волнового вектора k, величина которого связана с длиной волны и частотой света w следующим соотношением:

 (1).

Вдоль задаваемого волновым вектором k направления величины векторов E и B изменяются по гармоническому закону (т.е. как синус и косинус).

Мы будем использовать более упрошенное изображение плоской монохроматической волны («вид сверху»), где вместо поверхностей постоянных фаз будут рисоваться только линии, расстояние между которыми будет соответствовать длине волны излучения.

Попутно отметим, что используемые в данной публикации способы изображения плоских монохроматических волн существенно отличаются от стандартно принятых в учебниках элементарной физики, где обычно изображается последовательность векторов Е и В, расположенных вдоль одной прямой. Такое изображение создает ошибочное представление о том, что плоская монохроматическая волна является чем-то подобным бесконечно тонкому лучу, вне которого поле отсутствует. «Реальная» же плоская монохроматическая волна занимает все пространство.

В природе и технике

На практике чисто монохроматическая волна не осуществима, так как должна была бы быть бесконечной - прежде всего, во времени. Реальные процессы излучения ограничены во времени, и поэтому под монохроматической обычно понимается волна с очень узким спектром. Чем уже интервал, в котором находятся частоты реальной волны, тем «монохроматичнее» излучение.

В природе и технике наиболее близко к монохроматическому излучение отдельных линий спектров испускания свободных атомов и молекул. Эти линии соответствуют переходу атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей, а частоты соответствующих монохромных волн равны разнице уровней энергии, поделённой на постоянную Планка.

7. Изменение характеристик волны при переходе через границу раздела.

Поляризация волн – нарушение симметрии в распределении ориентации электрических и магнитных полей относительно направления распространения волны. Одна из причин возникновения поляризации – преломление и отражение волн.

Электрическое поле падающей световой волны вызывает в диэлектрике колебания зарядов, направление которых совпадает с направлением электрического вектора преломленной волны.

Эти колебания возбуждают на поверхности раздела отраженную волну, электрический вектор которой перпендикулярен электрическому вектора преломленной волны. П оэтому отраженная и прошедшая волны частично поляризованы.

Если отраженный и преломленный лучи перпендикулярны, то колебания электрического вектора в отраженной волне будет происходить в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Условие этого tg = n, где n – показатель преломления, угол – угол Брюстера.

Поляризация при отражении и преломлении.

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломлённый лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломлённом луче преобладают колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. Обозначим через φ угол, удовлетворяющий условию tg φ = n₁₂, где n₁₂ – показатель преломления второй среды относительно первой. Угол φ называют углом Брюстера. При этом угле падения отраженный луч полностью поляризован и содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения.

Степень поляризации преломлённого луча максимальна, однако этот луч остаётся поляризованным только частично.