И их основные характеристики

Электромагнитные волны

Явления волновой оптики.

Электромагнитное излучение.

Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Механизм образования и распространения электромагнитного излучения разработан в конце 19 века английским физиком Д.К.Максвеллом. В основе этой теории лежит два положения: всякое переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле и, наоборот, всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Это второе положение известно как явление электромагнитной индукции.

Т.о. любой проводник, по которому течет переменный ток, любая совокупность электрических зарядов, совершающих колебания, образуют в среде вокруг себя систему взаимопроникающих электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве – т.е. электромагнитную волну (рис.1).

Расположение силовых линий и векторов напряженностей полей таково, что перпендикулярен и каждый из них перпендикулярен вектору скорости волны с. Т.о. электромагнитные волны являются поперечными (рис.2).

Максвелл показал, что уравнение электромагнитной волны математически может быть представлено, как совокупность двух совпадающих по фазе плоских волн: электрической (т.е. волны напряженности поля электрического – Е = f(x,t)) и магнитной (т.е. волны напряженности поля магнитного – Н = f(x,t)).

(1)

Для распространения электромагнитного излучения не требуется какая-либо среда. Однако, значения параметров этого излучения зависят от свойств среды. Так, например, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет около 3·10⁸ м/с, а в стекле примерно в 1,5 раза меньше. В общем случае фазовая скорость распространения электромагнитных волн в среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ:

, (2)

где - скорость света в вакууме, ε₀ и μ₀ – диэлектрическая и магнитная постоянные.

Известно, что отношение c /= n – называется абсолютным показателем преломления данной среды, тогда из (2) получим:

. (3)

Не зависящей от условий распространения характеристикой волны является частота – ν. Соответственно, длина волны, т.е. расстояние, на которое перемещается волна за время равное периоду колебаний Т, будет зависеть от свойств среды: λ = Т = /ν, но = c/n, тогда λ_n = с/nν. Т.к. с/ν = λ₀ – длине волны данного излучения в вакууме, то

. (4)

Т.о. при переходе из одной среды в другую длина волны на границе будет изменяться скачком.

2. ЭНЕРГИЯ ВОЛНЫ. ВЕКТОР УМОВА – ПОЙНТИНГА

Как и механические, волны электромагнитные, переносят энергию. Энергия электромагнитной волны будет складываться из энергии поля электрического и энергии поля магнитного. Одной из энергетических характеристик поля является объемная плотность энергии – количество энергии, накопленной в единице объема электромагнитного поля. Мгновенные значения электрической и магнитной

составляющих этой величины определяются соотношениями:

w _э.п. = и w _м.п. = , (5)

где Е и Н мгновенные значения напряжённостей полей. Для суммарной объемной плотности энергии поля получим:

w_{э. м.п.} = w _э.п. + w _м.п. = +

или после преобразования:

w_{э. м.п.} = + = . (6)

Интенсивность (плотность потока энергии) волны:

. (7)

Учитывая, что скорость величина векторная, можно записать:

. (8)

Величина называется вектором Умова - Пойнтинга. Этот вектор определяет количество энергии, переносимое волной в направлении за единицу времени, через единицу площади поперечного сечения волны.