Характеристики и свойства электромагнитных ноли. Свет.

В электромагнитной волне векторы и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (т. е. вектору ее скорости , в вакууме численно равной с). Следова­тельно, электромагнитные волны - поперечные. Векторы и также взаимно перпендикулярны и составляют с вектором правую тройку (рис. 2.6).

Если выбрать систему координат так, чтобы волна распространялась вдоль оси х (см. рис. 2.6), то вектор будет иметь одинаковые значения и направления для значений коорди­наты х и моментов времени t, удовлетворяющих соотношению Такая волна называется плоской.

Рис. 2.6.

Это утверждение справедливо, также для вектора . Отметим, что в плоской волне векторы и колеблются в одной фазе, т. е, одновременно достигают максимальных и нулевых значений. Если в каждой точке электромагнитного поля проекции векторов и на оси координат совершают гармонические колебания одинаковой частоты а, такая волна называется монохроматичес­кой. Для плоской монохроматической электромагнитной волны.

распространяющейся вдоль оси х,

В выражениях (2.22) , - амплитуды, ω - круговая (циклическая) частота. Выражение в квадратных скобках опреде­ляет фазу φ волны. Геометрическое место точек, в которых фаза имеет одно и то же значение, называется волновой поверхностью. У плоской волны волновые поверхности представляют собой параллельные плоскости.

Несколько забегая вперед, определим световой луч как линию касательная к которой в каждой ее точке совпадает с направле­нием распространения волны. Очевидно, что для плоской волны световой луч есть прямая.

Интервал времени, через который фаза волны повторяется (т.е. изменяется на 2π) называется периодом; Т= 2π/ω. Рассто­яние λ = сТ, на которое распространяется вс на за время, равное периоду, называется длиной волны. Длина волны равна расстоя­нию между двумя ближайшими точками пространства, в которых разность фаз равна 2π (рис. 2.7), Наряду с длиной волны исполь­зуется также характеристика, называемая волновым числом k:

Рис. 2.7.

Волновое число показывает, сколько длин волн укладывается на отрезке длиной 2π. С учетом k уравнения (2.22) записываются так:

Чтобы освободиться от использования системы координат, вводят волновой вектор . Вектор равен по модулю волновому числу k, а направление его совпадает с направлением распростра­нения волны. Тогда, например, для электрической составляющей' электромагнитной волны получим

где - радиус-вектор любой точки волновой поверхности. Мгновенный «портрет» плоской монохроматической электромагнитной волны представлен на рис. 2.8.

Рис. 2.8.

Поляризация электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн зависят от ориентировки в пространстве векторов и , которая характеризуется понятием поляризации. Так, например, на рис. 2.8 геометрическое место точек, образуемых кон­цом вектора , лежит в одной плоскости. Это соответствует линейной, или плоской поляризации. Если вектор «вращается», т. е. конец его лежит на винтообразной линии (рис. 2.9), говорят об эллиптической или круговой поляризаций.

Рис. 2.9.

Диапазон электромагнитных волн. Теоретически возможно существование электромагнитных волн всех частот от ω = 0, до ω → ∞. Однако корпускулярные свойства излучения ограничиваю этот диапазон. В квантовой теории (см. гл. 4) утверждается, что электромагнитное излучение существует в виде квантов, энергий которых линейно связана с частотой волны:

где h - фундаментальная константа, постоянная Планка.

Следовательно, бесконечно большие частоты невозможны, так как соответствующие кванты обладали бы бесконечной энергией- Если предположить, что существует минимально возможное значение энергии кванта , то существует и соответствующая минимальная частота электромагнитных волн. Однако никаких свидетельств об ограничении энергии фотонов снизу к настояще­му времени не обнаружено, следовательно, можно предположить существование электромагнитных волн сколь угодно малой часто­ты (наименьшая частота волн, обнаруженных экспериментально, равна приблизительно 7 Гц. Это волны в пространстве между ионосферой и земной поверхностью).

По частотам ν (или длинам волн ) электромагнитные волны подразделяют на несколько диапазонов (рис. 2.10).

Рис. 2.10.

Каждый из диапазонов имеет свои характерные особенности. С увеличением частоты волн увеличивается проявление кван­товых свойств излучения.

Свет. Светом называется электромагнитное излучение, относя­щееся к оптическому диапазону. В этот диапазон входит видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Видимый свет (длины волн в вакууме от 380∙10^-9 до 770 ∙ 10^{-9 м) (рис. 2.11) вызывает непосредственное зрительное ощущение в глазу чело­века.}

Рис. 2.11.

Явления, связанные с генерацией света, его распространением и взаимодействием с веществом, изучаются в оптике. Физико-химические проявления света (взаимодействие на фотопленку, рецепторы глаза и др.) определяются вектором электрической напряженности электромагнитной волны, который называется световым вектором. Дело в том, что, по классической теории, взаимодействие света с веществом заключается в возбуждении электромагнитной волной колебаний зарядов – электронов, ионов, диполей. Электромагнитное поле действует на заряд с силой Лоренца. При этом оказывается, что «магнитная» составляющая этой силы относится к «электрической» как , где ν – скорость движения зарядов. Для электронов в атомах и электронов проводимости в металлах ~ 10^-2, т.е. «магнитная» составляющая силы Лоренца составляет всего около 1% от «электрической».

Изучение электромагнитных волн. в свободном пространстве электромагнитное поле излучают ускоренно движущиеся заряды. Качественно картина излучения может быть представлена следующим образом. Пусть источником излучения является колеблющаяся заряженная частица. Колебания заряда приводят к колебаниям электрического поля в окрестностях колеблющегося заряда. Изменения поля распространяются в пространстве со скоростью с. Следовательно, на каком-то расстоянии r от заряда изменения поля отстают от изменения положения заряда на время r/c, т.е. будут волнообразными с длиной волны . Изменения же электрическою поля во времени порождают магнитное поле , которое, изменяясь, в свою очередь будет порождать электрическое поле . Изменяющиеся поля и образуют электромагнитную волну (рис. 2.12)

Волны радиодиапазона излучаются переменными токами, про­текающими в проводах (антеннах). Рентгеновское излучение воз­никает, например, при торможении движущихся электронов веществом. Гамма-излучение испускается атомными ядрами при ядерных реакциях.

Волны оптического диапазона излучаются микроскопическими генераторами - атомами и молекулами. Атом, которому сообщена энергия, переходит в возбужденное состояние. Полученную энер­гию за весьма малое время (τ ~ 10^-8 с) он излучает в виде света и возвращается в нормальное состояние.

Рис. 2.12

Этот процесс может пов­торяться. В результате излучение света является прерывистым. Излучаемые кратковременные световые импульсы носят название цугов волн. Каждый цуг имеет конечную протяженность в прост­ранстве ∆х = сτ (порядка 1 ... 10 м). Ширина спектра цуга обратно пропорциональна его продолжительности τ. Более того, атомы излучают независимо друг от друга, следовательно, фазы излучаемых цугов различны и не связаны между собой. Таким образом, естественный свет, т.е. свет, излучаемый макроскопи­ческими источниками (лампами накаливания), газоразрядными и т. п.) не является монохроматической волной, так как он обра­зован множеством быстро сменяющих друг друга независимых цугов. Любой из цугов плоскополяризован, однако для каждого из них плоскости поляризации ориентированы по-разному, причем ориентации равновероятны. Таким образом, естественный свет неполяризован.

При наложении света от нескольких независимых источников естественного света интенсивность* (* Под интенсивностью I света понимается величина, пропорциональная квадрату амплитуды световой волны: ) света суммируется.