1.0.1. Свойства электромагнитной волны

В электромагнитной волне неразрывно существуют электрическое поле и магнитное – , которые действуют на токи и магнитные моменты. Однако во многих случаях электрические взаимодействия оказываются значительно сильнее магнитных, так что действием магнитного поля электромагнитной волны на вещество с хорошим приближением можно пренебречь. Существует соотношение между напряженностью электрического поля и магнитной индукцией плоской волны в среде . Поэтому отношение абсолютных значений сил, действующих на электрон со стороны, соответственно, магнитного и электрического полей будет порядка , где - скорость движения электрона, - его заряд, - фазовая скорость электромагнитной волны в веществе. Электроны проводимости в металле имеют скорости, соответствующие , т. е. магнитные силы составляют не более 1% от электрических. Энергия взаимодействия магнитного поля с магнитным моментом электронов также на два порядка меньше взаимодействия электрического поля с зарядом электрона. Исключение составляют ферромагнитные и близкие к ним структуры. Более того, опыты Винера со световыми волнами однозначно доказали, что именно электрическое поле световой волны производит непосредственное действие на приборы, предназначенные для обнаружения света (глаз, фотоэлемент, фотопластинка и т. д.). Именно по этой причине в дальнейшем основное внимание уделяется временной и пространственной зависимости .

При анализе структуры плоской электромагнитной волны уравнения Максвелла удобно записывать в символической форме с помощью оператора «набла» . Для однородного и изотропного диэлектрика ( ) в отсутствии объемных зарядов ( ) и токов проводимости ( ) уравнения ((1.3) ÷ (1.6)) примут вид

. (1.29)

Здесь учтено, что .

Как мы уже знаем, решение (1.29) можно представить в виде , , где постоянные величины и связаны соотношением . При дифференцировании выражений типа (1.23) полезно знать следующие соотношения:

, . (1.30)

Подставляя выражение (1.28) в уравнения (1.29) и учитывая (1.30) получим:

, (1.31)

Из соотношений (1.31) следует, что вектора и плоской электромагнитной волны перпендикулярны вектору , т.е. направлению ее распространения. Это означает, что электромагнитная волна является поперечной, а вектора , , ( ) составляют правую тройку взаимно перпендикулярных векторов (рис. 1.4). Поскольку отношение амплитуд векторов и от времени не зависит, то эти вектора изменяются во времени синфазно: они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.

Рис. 1.4. Взаимная ориентация векторов в плоской электромагнитной волне.

Формально система уравнений (1.31) в случае однородного и изотропного диэлектрика имеет аналогичный вид, но с заменой . Поэтому все полученные результаты для электромагнитных волн в вакууме справедливы и для диэлектрика, но с заменой . Это приведет лишь к изменению скорости волн. Для скорости волны в диэлектрике справедливо выражение , где - показатель преломления диэлектрика.