2.7.3 Электромагнитные волны

Как уже отмечалось, существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, – следует из электромагнитной теории Дж Максвелла и подтверждено экспериментально в опытах Г. Герца (раздел 2.6.6). Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный ток.

Плоские электромагнитные волны описываются уравнениями

Е=Е₀ cos(t-kx+₀), H=H₀ cos(t-kx+₀), (2.7.4)

где Е₀ и Н₀ – соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей,  – круговая частота волны, k=/v – волновое число, ₀ – начальные фазы колебаний в точках с координатой х=0. Колебания электрического и магнитного векторов происходят с одинаковой фазой.

Электромагнитная волна является поперечной: колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных направлениях перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

В вакууме скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью света. В веществе скорость распространения электромагнитных волн уменьшается. Показатель преломления среды n=c/v показывает, во сколько раз скорость электромагнитных волн в веществе меньше, чем в вакууме.

Электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (или длин волн λ=с/ν) и отличаются по способам генерации и свойствам. Различают радиоволны (λ=10³–10^–4 м), световые волны (λ=5×10^–4–10^–9 м), рентгеновское излучение (λ=2×10^–9–6×10^–12 м) и γ-излучение (λ<6×10^–12 м). Световые волны в диапазоне длин волн λ=8×10^–7–4×10^–7 м воспринимается сетчаткой глаза человека и называются видимым светом.

Развитие представлений о природе света было длительным и трудным. Основные законы оптики известны еще с древних веков. Платон установил закон прямолинейного распространения света, Аристотель и Птолемей изучали преломление света. В XIII в. были изобретены параболические зеркала, в XVI в. – микроскоп, в XVII в. – зрительная труба. В конце XVII в. возникли две теории света – корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс). Согласно корпускулярной теории свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейным траекториям. Движение световых корпускул Ньютон подчинил законам механики.

Согласно волновой теории, развитой на основе аналогии световых и акустических явлений, свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде – эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела и обладает упругостью и плотностью.

Обе теории света могли объяснить экспериментально наблюдаемые законы отражения и преломления света. XVIII век стал веком борьбы этих теорий. К началу XIX в. корпускулярная теория была полностью отвергнута и восторжествовала волновая теория. Однако всемирный эфир, обладающий механическими свойствами, обнаружить не удалось.

Наука о свете накапливала экспериментальные данные о связи оптических, электрических и магнитных явлений. В 70-х годах XIX в. Максвелл создал электромагнитную теорию, “упругий” эфир был заменен эфиром “электромагнитным”. Теория Максвелла не смогла объяснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта и ряд других явлений. В начале XX в. была сформулирована квантовая теория света. Был сделан вывод о сложной природе света и его корпускулярно-волновом дуализме. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в следующих параграфах.