2. Свет – электромагнитная волна

Всё разнообразие окружающего мира мы видим благодаря свету и зрению. Свет излучают особые тела, называемые источниками света - солнце, нить электролампы, пламя керосиновой лампы, газ в газоразрядной трубке. После взаимодействия с окружающими предметами свет от источников попадает в глаз человека, формируя цветное изображение. На видимый цвет предметов влияют характеристики освещения, а так же «устройство» самих предметов.

Из курсов оптики и электричества известно, что свет представляет собой электромагнитную волну (ЭМВ).

Рис.1.1 Электромагнитная волна в некоторый момент времени

Перечислим некоторые сведения из теории ЭМВ:

• ЭМВ способны распространяться в любой среде и даже в пустоте (вакууме). Единственное исключение составляют проводники (среды, проводящие электрический ток), внутрь которых волны проникают лишь на очень небольшую глубину.

• Волны отличаются друг от друга по частоте  (в других единицах: по циклической частоте  или периоду колебаний Т), скорости распространения  и длине волны . Связь данных величин между собой задается формулами:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

где  - измеряется в «рад/сек»,  - измеряется в «Гц»

• Электромагнитные волны содержат две компоненты: электрическое поле и магнитное поле . Эти поля всегда лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны в пространстве, поэтому ЭМВ относят к классу «поперечных волн» (смотри рис. 1.1).

• Все волны подчиняются уравнениям специального вида, которые называются «волновые уравнения». Волновые уравнения для и - полей непосредственно следуют из фундаментальных законов природы – уравнений электродинамики Максвелла. В простейшем случае, для волн с плоским фронтом (так называемых «плоских волн») волновые уравнения имеют следующий вид:

, (1.4)

где Е_Y – проекция вектора напряженности электрического поля на ось у, измеряется в [В/м]

H_Z – проекция вектора напряженности магнитного поля на ось z, измеряется в [В/м]

- магнитная постоянная,

- электрическая постоянная

– магнитная проницаемость среды, в которой распространяется волна

– диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется волна. Отметим, что данная величина зависит от частоты колебаний в конкретной электромагнитной волне.

Из решения уравнений (1.4) следует, что скорость распространения волны в пространстве  дается формулой:

(1.5)

Для вакуума и , следовательно, скорость волны в пустоте ₀ равна:

(1.6)

Итак, полученное числовое значение ₀ в точности совпадает со скоростью света в вакууме c ! Факт точного совпадения предсказанной теорией скорости ЭМВ с измеренной в эксперименте скоростью света, обнаруженный Максвеллом в 60-е годы ХIХ века, провел к появлению гипотезы о том, что по своей природе свет является ЭМВ.

• Перепишем формулу (1.5) используя (1.6):

(1.7)

Из полученной формулы (1.7) видно, что в веществе скорость распространения ЭВМ уменьшается. Данное уменьшение скорости приводит к уменьшению длины волны:

(1.8)

По этой причине, чтобы избежать путаницы обычно следует оговаривать, какую длину волны имеют в виде: в вакууме или в среде. Для определенности, мы далее всюду будем пользоваться только длиной волны в вакууме.

• Многочисленные эксперименты показали, что хотя в ЭМВ одновременно присутствуют две компоненты ( и ), силы магнитной природы малы по сравнению с силами электрическими - в большинстве явлений магнитная компонента практически не проявляется. Другими словами, наличием в волне магнитной компоненты можно пренебречь. По этой причине вместо двух уравнений достаточно решать одно, описывающее электрическое поле (модуль вектора ).

Для плоской волны решение имеет следующий вид:

, (1.6)

где

– циклическая частота волны,

 – время, необходимое волне для того, чтобы распространясь в пространстве со скоростью , достичь точки, удаленной от источника колебаний на расстояние х;

– начальная фаза волны («состояние волны» в момент времени t=0 в точке х =0),

– эту величину называют «волновой вектор волны»

Видно, что формула (1.6) не накладывается никаких ограничений на частоту ЭМВ , поэтому в среде могут одновременно распространяться волны со всевозможными частотами / всевозможными длинами.