Електромагнітна хвиля

Відео: 15.12-2 Випромінювання електромагнітних хвиль

електромагнітна хвиля це процес поширення електромагнітної взаємодії в просторі.
Електромагнітні хвилі описуються загальними для електромагнітних явищ рівняннями Максвелла. Навіть в разі відсутності в просторі електричних зарядів і струмів рівняння Максвелла мають відмінні від нуля рішення. Ці рішення описують електромагнітні хвилі.
У разі відсутності зарядів і струмів рівняння Максвелла набирають наступного виду:

,


,


,


.

Застосовуючи операцію rot до перших двох рівнянь можна отримати окремі рівняння для визначення напруженості електричного і магнітного полів






Ці рівняння мають типову форму хвильових рівнянь. Їх розв`язками є суперпозиція виразів наступного типу

,




,

де - Певний вектор, який називається хвильовим вектором,? - число, яке називається циклічною частотою,? - фаза. величини і є амплітудами електричної та магнітної компоненти електромагнітної хвилі. Вони взаємно перпендикулярні і рівні по абсолютній величині. Фізична інтерпретація кожної із введених величин дається нижче.
У вакуумі електромагнітна хвиля поширюється в швидкістю, яка називається швидкістю світла. Швидкість світла є фундаментальною фізичною константою, яка позначається латинською буквою c. Згідно основним постулатом теорії відносності швидкість світла є максимально можливою швидкістю передачі інформації або руху тіла. Ця швидкість становить 299 792 458 м / с.
Електромагнітна хвиля характеризується частотою. Розрізняють лінійну частоту? і циклічну частоту? = 2 ??. Залежно від частоти електромагнітні хвилі належать до одного з спектральних діапазонів.
Інший характетистика електромагнітної хвилі хвильової вектор . Хвильовий вектор визначає напрямок поширення електромагнітної хвилі, а також її довжину. Абсолютне значення хвільoвого вектора називають хвильовим числом.
Довжина електромагнітної хвилі? = 2? / k, де k - хвильове число.
Довжина електромагнітної хвилі пов`язана з частотою через закон дисперсії. У порожнечі цей зв`язок простий:

?? = c.

Часто дане співвідношення записують у вигляді

? = c k.

Електромагнітні хвилі з однаковою частотою і хвильовим вектором можуть розрізнятися фазою.
У порожнечі вектори напруженості електричного і магнітного полів Електомагнітна хвилі обов`язково перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі. Такі хвилі називаються поперечними хвилями. Математично це описується рівняннями і . Крім того, напруженості елекрічного і магнітного полів перпендикулярні один до одного і завжди в будь-якій точці простору рівні за абсолютною величиною: E = H. Якщо вибрати систему координат таким чином, щоб вісь z збігалася з напрямком поширення електромагнітної хвилі, існувати дві різні можливості для напрямків векторів напруженості електричного поля. Якщо еклектичне поле направлено вздовж осі x, то магнітне поле буде направлено вздовж осі y, і навпаки. Ці дві різні можливості не виключають один одного і відповідають двом різним поляризація. Детальніше це питання розбирається в статті Поляризація хвиль.
Спектральні діапазони з виділеним видимим світлом Залежно від частоти або довжини хвилі (ці величини пов`язані між собою), електромагнітні хвилі відносять до різних діапазонів. Хвилі в різних діапазонах різним чином взаємодіють з фізичними тілами.
Електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до радіодіапазону. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на відстань за допомогою радіо, телебачення, мобільних телефонів. У радіодіапазоні працює радіолокація. Радіодіапазон розділяється на метровий, діцеметровій, сантиметровий, міліметровий, в залежності від довжини Електомагнітна хвилі.
Електромагнітні хвилі з ймовірністю належать до інфрачервоного діапазону. В інфрачервоному діапазоні лежить теплове випромінювання тіла. Реєстрація цього віпроміювання лежить в основі роботи приладів нічного бачення. Інфрачервоні хвилі застосовуються для вивчення теплових коливань в тілах і допомагають встановити атомну структуру твердих тіл, газів і рідин.
Електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 400 нм до 800 нм належать до діапазону видимого світла. Залежно від частоти і довжини хвилі видиме світло розрізняється за кольорами.
Хвилі з довжиною менше 400 нм називаються ультрафіолетовими. Людське око їх не розрізняє, хоча їх властивості не відрізняються від властивостей хвиль видимого діапазону. Велика частота, а, отже, і енергія квантів такого світла призводить до більш руйнівного впливу ультрафіолетових хвиль на біологічні об`єкти. Земна поверхня захищена від шкідливого впливу ультрафіолетових хвиль озоновим шаром. Для додаткового захисту природа наділила людей темною шкірою. Однак ультрафіолетові промені потрібні людині для виробництва вітаміну D. Саме тому люди в північних широтах, де інтенсивність ультрафіолетових хвиль менше, втратили темне забарвлення шкіри.
Електомагнітна хвилі більш високої частоти відносяться до рентгенівського діапазону. Вони називають так тому, що їх відкрив Рентген, вивчаючи випромінювання, яке утворюється при гальмуванні електронів. У зарубіжній літературі такі хвилі прийнято називати X-променями, поважаючи бажання Рентгена, щоб промені не називали його ім`ям. Рентгенівські хвилі слабо взаємодіють з речовиною, сильніше поглинаючись там, де щільність більше. Цей факт використовується в медицині для рентгенівської флюорографії. Рентгенівські хвилі застосовуються також для елементного аналізу і вивчення структури кристалічних тіл.


Найвищу частоту і найменшу довжину мають ?-промені. Такі промені утворюються в результаті ядерних реакцій і реакцій між елементарними частинками. ? -лучи володіють великою руйнівний вплив на біологічні об`єкти. Однак вони використовуються у фізиці для вивчення різних характеристик атомного ядра.
Енергія електромагнітної хвилі визначається сумою енергій електричного і магнітного поля. Щільність енергії в певній точці простору задається виразом:

.

Усереднена за часом щільність енергії дорівнює.

,

де E 0 = H 0 - амплітуда хвилі.
Важливе значення має щільність потоку енергії електромагнітної хвилі. Вона зокрема визначає світловий потік в оптиці. Щільність потоку енергії електромагнітної хвилі задається вектором Умова-Пойнтінга.



Поширення електромагнітних хвиль в середовищі має ряд особливостей в порівнянні з поширенням в порожнечі. Ці особливості пов`язані з властивостями середовища і в цілому залежать від частоти електромагнітної хвилі. Електрична і магнітна складова хвилі викликають поляризацію і намагнічування середовища. Цей відгук середовища неоднакових в разі малої і великої частоти. При малій частоті електромагнітної хвилі, електрони і іони речовини встигають відреагувати на зміну інтенсивності електричного і магнітного полів. Відгук середовища відслідковує часові коливання в хвилі. При великій частоті електрони і іони речовини не встигають зміститися протягом періоду коливання полів хвилі, а тому поляризація і намагнічення середовища набагато менше.
Електромагнітне поле малої частоти не проникає в метали, де багато вільних електронів, які зміщуються таким чином, повністю гасять електромагнітну хвилю. Електромагнітна хвиля починає проникати в метал при частоті перевищує певну частоту, яка називається плазмовою частотою. При частотах менших плазмову частоту електромагнітна хвиля може проникати в поверхневий шар металу. Це явище називається скін-ефектом.
У діелектриках змінюється закон дисперсії електромагнітної хвилі. Якщо в порожнечі електромагнітні хвилі поширюються з постійною амплітудою, то в середовищі вони затухають, внаслідок поглинання. При цьому енергія хвилі передається електронам або іонів середовища. Всього закон дисперсії за відсутності магнітних ефектів набирає вигляду



де хвильове число k - всього комплексна величина, уявна частина якої описує зменшення амплітуди елетромагнітноі хвилі, - Залежна від частоти комплексна діелектрична проникність середовища.
В анізотропних середовищах напрямок векторів напруженості електричного і магнітного полів не обов`язково перпендикулярний напрямку поширення хвилі. Однак напрямок векторів електричної та магнітної індукції зберігає цю властивість.
У середовищі при певних умовах може розповсюджуватися ще один тип електромагнітної хвилі - повздовжня електромагнітна хвиля, для якої напрям вектора напруженості електричного поля збігається з напрямком поширення хвилі.
На початку двадцятого століття для того, щоб пояснити спектр випромінювання абсолютно чорного тіла, Макс Планк припустив, що електромагнітні хвилі випромінюються квантами з енергією пропорційною частоті. Через кілька років Альберт Ейнштейн, пояснюючи явище фотоефекту розширив цю ідею, припустивши, що електромагнітні хвилі поглинаються такими ж квантами. Таким чином, стало ясно, що електромагнітні хвилі характеризуються деякими властивостями, які раніше приписувалися матеріальним частинкам, корпускул.
Ця ідея отримала назву корпускулярно-хвильового дуалізму.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!