Введение
Существование электромагнитных волн, представляющих собой распространяющееся в пространстве с конечной скоростью переменное электромагнитное поле, было обосновано М. Фарадеем и Дж. Максвеллом. Теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привело к созданию электромагнитной теории света, появлению радиосвязи, телевидения, радиолокации, радиоастрономии и многих других технических достижений, основанных на свойствах электромагнитных волн.
Свойства и распространение электромагнитных
ВОЛН, В ТОМ ЧИСЛЕ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
Электромагнитной волной называется переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Существование электромагнитных волн вытекает из уравнений Максвелла. Если среда однородная ( = const, = const), нейтральная (объемная плотность зарядов = 0) и непроводящая (jпр = 0), то дифференциальные волновые уравнения электромагнитной волны имеют вид:
(1)
(2)
Сравнивая (1) и (2) с общим видом дифференциального волнового уравнения видно, что фазовая скорость электромагнитной волны v зависит от свойств среды и равна:
(3)
где
- скорость электромагнитных волн в
вакууме (при
= = 1).
Абсолютным показателем преломления среды называется безразмерная величина n, равная отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости V в данной среде.
(4)
В случае плоской электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси x, волновые уравнения (1) и (2) упрощаются и принимают вид:
,
(5)
так как
,
.
Решением дифференциальных уравнений (5) являются гармонические функции, описывающие плоскую электромагнитную волну:
|
|
|
(6) |
,
.
Из уравнений (6) вытекает важное свойство
электромагнитных волн – они являются
поперечными, так как в электромагнитной
волне
(рис.1).
Колебания векторов и происходит с одинаковой циклической частотой и начальной фазой 0. Таким образом, электромагнитная волна – это гармоническая монохроматическая волна.
Рис. 1.
Подставив функции (6) в уравнения Максвелла, можно найти связь между амплитудами Em и Hm электрической и магнитной составляющей волны:
|
(7) |
,Это соотношение справедливо и для мгновенных значений Е и Н.
Электромагнитные волны охватывают
широчайший диапазон частот и длин волн.
В зависимости от частоты
(или длины волны
),
а также способа излучения различают
несколько видов электромагнитных волн:
радиоволны, инфракрасное излучение,
видимый свет, ультрафиолетовое излучение,
рентгеновское излучение, гамма-излучение
(рис. 2). Частотные границы между различными
видами электромагнитных волн являются
условными, например, диапазоны радиоволн
и оптического излучения перекрываются
в области субмиллиметровых волн. Диапазон
радиоволн делится на 9 поддиапазонов.
Оптическим излучением (или светом) называются электромагнитные волны с длиной волны в вакууме от 10 нм до 1 мм. К оптическому излучению относится инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение.
Видимым светом называются электромагнитные волны с длинами волн в вакууме от 760 до 380 нм, которые способны непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе.
Каждый из диапазонов электромагнитных волн имеет свои особенности. С увеличением частоты волн усиливается проявление корпускулярных свойств излучения. Волны разных диапазонов различаются также методами генерации излучения. Радиоволны излучаются генераторами и антеннами. Источником оптического излучения являются атомы излучающего тела: каждый атом излучает волновой цуг (или фотон электромагнитного излучения) при переходе электрона в атоме с одной стационарной орбиты на другую. Процесс излучения отдельного атома продолжается около 10-8 с. За это время атом излучает волновой цуг протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время атом вновь может излучить цуг. В теле одновременно излучает огромное количество атомов, и их цуги образуют испускаемую телом волну. Частоты колебаний, фазы и плоскости колебаний различных цугов случайны.
Рис. 2
В процессе распространения все электромагнитные волны обладают свойствами отражения и преломления, интерференции и дифракции, дисперсии, рассеяния, поляризации.