Стоячие волны

Если навстречу друг другу распространяются две гармонические волны и , то образуется стоячая волна

. (20)

Исследуем сначала множитель cos kx= cos2 px/l. В точках x= ±(1+2 n) l/ 4, где n =0,1,2..., cos kx= 0и, следовательно, S= 0. Эти точки не колеблются и поэтому называются узлами стоячей волны (см. рис.3). Расстояние между соседними узлами равно l/ 2. Точки максимальной амплитуды стоячей волны называются пучностями. Их координаты x= ± nl/ 2. Расстояние между соседними пучностями равно l/ 2.

На рис. 3 сплошной линией изображена зависимость от х, соответствующая моменту времени t (например, t= 0), при котором cos wt= cos2 pt/T =1. Через четверть периода cos =0и S =0. Еще через время, равное T/ 4, cos = -1, и соответствующая зависимость S от х изображена штриховой линией (см. рис. 3). Спустя t= 3 T/ 4 S =0 и через t=T все повторится.

В случае стоячей волны переноса энергии нет, т.к. падающая и отраженная волны одинаковой амплитуды несут энергию в противоположных направлениях. Т.о., стоячая волна характеризует колебательное состояние среды.

В заключении отметим, что несмотря на разнообразие волновых явлений, они описываются одинаковыми законами (математичеcкими уравнениями). Это позволяет, например, перенести полученные в данной лекции закономерности для упругих волн на электромагнитные волны.

Лекция 2. Электромагнитные волны

Во второй части курса физики изучались уравнения Максвелла, которые в дифференциальной форме (т.е. справедливые для бесконечно малого объема среды) имели вид:

(1)

где и – векторы напряженности электрического и магнитного полей, которые измеряются соответственно в В/м и А/м; – вектор магнитной индукции (Тл), – вектор электрического смещения (Кл/м²), – вектор плотности тока проводимости (А/м²), r – объемная плотность заряда (Кл/м³).

Кроме того, необходимо учитывать, что

(2)

где e₀ =1/(4p×9×10⁹) Ф/м, m₀ =4p×10^-7 Гн/м – электрическая и магнитная постоянные; ε, μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; g – удельная электропроводность среды (величина, обратная удельному сопротивлению), а также, что

, (3)

c – скорость света в вакууме, с = 3×10⁸ м/с.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде

, (4)

где , (5)

n – абсолютный показатель преломления среды, он показывает, во сколько раз скорость света v в среде меньше скорости света в вакууме с.

Из первого уравнения Максвелла следует, что переменное (изменяющееся во времени) магнитное поле вызывает переменное электрическое поле, а оно [согласно второму уравнению (1)], изменяясь, вызывает магнитное поле и т.д. Нельзя создать только электрическое поле, не вызвав магнитного поля и наоборот. Т.е. электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Они образуют единое электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве (среде) в виде электромагнитных волн.