Т. Свойства волн

Скорость распространения электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн

1. Из теории Максвелла вытекает, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей, т.е. от источника электромагнитных колебаний должны во все стороны распространяться электромагнитные волны с определенной скоростью. Вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн — очень важное следствие из теории Максвелла.

Дж. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света \(~c = 3 \cdot 10^8 \frac {m}{c},\) а в среде эта скорость ν меньше и зависит от свойств среды:

\(~v = \frac {c}{\sqrt {\varepsilon \mu}},\)

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, μ — магнитная проницаемость среды.

2. При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля \(~\vec E\) и индукции магнитного поля \(~\vec B\) в каждой точке пространства. Электромагнитная волна — поперечная волна, так как

\(~\vec E \perp \vec v\) и \(~ \vec B \perp \vec v.\)

3. Колебания векторов \(~\vec E\) и \(~\vec B\) в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям\[~\vec E \perp \vec B\] в каждой точке пространства.

4. Векторы \(~\vec E\) и \(~\vec B\) образуют с вектором скорости распространения \(~\vec v\) правовинтовую систему (рис. 2): если головку правого винта расположить в плоскости векторов \(~\vec E\) к \(~\vec B\) и поворачивать ее в направлении от \(~\vec E\) к \(~\vec B\) по кратчайшему пути, то поступательное движение острия винта укажет направление вектора \(~\vec v\) в момент времени t.

Рис. 2

5. Период электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливо соотношение

\(~\lambda = vT; \lambda = \frac {v}{\nu}.\)

В вакууме \(~\lambda_0 = \frac {c}{\nu} = cT - \) длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде, так как ν = const и изменяются только \(~v\) и \(~\lambda\) к при переходе от одной среды к другой.

6. Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. Энергию \(~W_{EM}\) электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

\(~W_{EM} = W_E + W_M = \frac {\varepsilon \varepsilon_0 E^2}{2}V + \frac {B^2}{2 \mu \mu_0}V = \varepsilon \varepsilon_0 E^2 V = \frac {B^2}{\mu \mu_0}V, \)

где V — объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

Переносимая энергия пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн, способных переносить электромагнитную энергию на значительные расстояния, должны быть электромагнитные колебания очень высокой частоты (порядка миллиона герц). Понятно, что никакие механические генераторы не могут создать переменный ток частотой -10⁶ Гц (для этого якорь должен был бы совершать 10⁶ оборотов в 1 с). Источником электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур.

7. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды в другую, отражаются от преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 434-436.