Електромагнітні хвилі
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Електромагнітні хвилі

Електромагнітні хвилі, електромагнітні коливання, що поширюються в просторі з кінцевою швидкістю. Існування Е. ст було передбачене М. Фарадєєм в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретично показав, що електромагнітні коливання не залишаються локалізованими в просторі, а поширюються у вакуумі з швидкістю світла з на всі боки від джерела. З тієї обставини, що швидкість поширення Е. ст у вакуумі дорівнює швидкості світла, Максвел зробив вивід, що світло є Е. ст У 1888 максвелловськая теорія Е. ст отримала підтвердження в дослідах Р. Герца що зіграло вирішальну роль для її затвердження.

загрузка...

  Теорія Максвелла дозволила єдиним чином підійти до опису радіохвиль, світла, рентгенівських променів і гамма-випромінювання . Виявилось, що це не випромінювання різної природи, а Е. ст з різною довжиною хвилі. Частота w коливань електричного Е і магнітного Н полів пов'язана з довжиною хвилі l співвідношенням: l = 2p з /w . Радіохвилі, рентгенівські промені і g-віпромінювання знаходять своє місце в єдиній шкалі Е. ст ( мал. ), причому між сусідніми діапазонами шкали Е. ст немає різкого кордону.

  Особливості Е. ст, закони їх збудження і поширення описуються Максвелла рівняннями . Якщо в якійсь області простору існують електричні заряди е і струми I, та зміна їх з часом t приводить до випромінюванню Е. ст На швидкість поширення Е. ст істотно впливає середовище, в якому вони поширюються. Е. ст можуть випробовувати заломлення, в реальних середовищах має місце дисперсія хвиль, поблизу неоднородностей спостерігаються дифракція хвиль, інтерференція хвиль (прямою і відбитою), повне внутрішнє віддзеркалення і інші явища, властиві хвилям будь-якої природи. Просторів, розподіл електромагнітних полів тимчасові залежності E ( t ) і H ( t ) , що визначають типа хвиль (плоскі, сферичні і ін.), вигляд поляризації (див. Поляризація хвиль ) і інші особливості Е. ст задаються, з одного боку, характером джерела випромінювання, і з іншої — властивостями середовища, в якому вони поширюються. В разі однорідного і ізотропного середовища, далеко від зарядів і струмів, що створюють електромагнітне поле, рівняння Максвелла, приводять до хвилевих рівнянь:

  ;,

  що описує поширення плоских монохроматичних Е. в.:

  Е = E 0 cos ( kr — w t + j)

  Н = H 0 cos ( kr — w t + j).

  Тут e — діелектрична проникність, mñ — магнітна проникність середовища, E 0 і H 0 амплітуди коливань електричних і магнітних полів, w частота цих коливань, j — довільне зрушення фази, до — хвилевий вектор, r — радіус-вектор крапки; Ñ 2 Лапласа оператор .

  Якщо середовище неоднорідне або містить поверхні, на яких змінюються її електричні або магнітні властивості, або якщо в просторі є провідники, то тип збуджуваних і Е, що поширюються. ст може істотно відрізнятися від плоскої лінійно-поляризованої хвилі. Е. ст можуть поширюватися уздовж направляючих поверхонь (поверхневі хвилі), в передавальних лініях і в порожнинах, утворених добре провідними стінками (див. Радіохвилевід, Світлопровід, Квазіоптика ) .

  Характер зміни в часі Е і Н визначається законом зміни струму I і зарядів e , збуджуючих Е. ст Проте форма хвилі в загальному випадку не слідує I ( t ) або e ( t ) . Вона в точності повторює форму струму лише у випадку, якщо і Е. ст поширюються в лінійному середовищі (електричні і магнітні властивості якої не залежать від Е і Н ) . Простий випадок збудження і поширення Е. ст в однорідному ізотропному просторі за допомогою диполя Герца (відрізання дроту довжиною l << l, по якому протікає струм I = I 0 sin w t ). На відстані від диполя багато більшому l утворюється хвилева зона (зона випромінювання), де поширюються сферичні Е. ст Вони поперечні і лінійно поляризовані. В разі анізотропії середовища можуть виникнути зміни поляризації (див. Випромінювання і прийом радіохвиль ) .

  В ізотропному просторі швидкість поширення гармонійних Е. ст, тобто фазова швидкість . За наявності дисперсії швидкість перенесення енергії з ( групова швидкість ) може відрізнятися від v. Щільність потоку енергії S, переносимою Е. ст, визначається Пойнтінга вектором : S = (с/4p) [ ЕН ] . Т . до. у ізотропному середовищі вектори Е і Н і хвилевий вектор утворюють правовінтовую систему, то S збігається з напрямом поширення Е. ст У анізотропному середовищі (у тому числі поблизу провідних поверхонь) S може не збігатися з напрямом поширення Е. ст

  Поява квантових генераторів, зокрема лазерів, дозволило досягти напруженості електричного поля в Е. ст, порівнянних з внутріатомними полями. Це привело до розвитку нелінійної теорії Е. ст При поширенні Е. ст в нелінійному середовищі (e і m залежать від Е і Н ) її форма змінюється. Якщо дисперсія мала, то у міру поширення Е. ст вони збагачуються т.з. вищими гармоніками і їх форма поступово спотворюється. Наприклад, після проходження синусоїдальної Е. ст характерної дороги (величина якого визначається мірою нелінійності середовища) може сформуватися ударна хвиля, що характеризується різкими змінами Е і Н (розриви) з їх подальшим плавним поверненням до первинних величин. Ударна Е. ст далі поширюється без істот, змін форми; згладжування різких змін обумовлене головним чином загасанням. Більшість нелінійних середовищ, в яких Е. ст поширюються без сильного поглинання, володіє значною дисперсією що перешкоджає утворенню ударних Е. ст Тому утворення ударних хвиль можливе лише в діапазоні l від декількох см до довгих хвиль . За наявності дисперсії в нелінійному середовищі виникаючі вищі гармоніки поширюються з різною швидкістю і істотного спотворення форми вихідної хвилі не відбувається. Утворення інтенсивних гармонік і взаємодія їх з вихідною хвилею може мати місце лише при спеціально підібраних законах дисперсії (див. Нелінійна оптика, Параметричні генератори світла ) .

  Е. ст різних діапазонів l характеризуються різними способами збудження і реєстрації, по-різному взаємодіють з речовиною і т. п. Процеси випромінювання і поглинання Е. ст від щонайдовших хвиль до інфрачервоне випромінювання досить повно описуються співвідношеннями електродинаміки . На вищих частотах домінують процеси, що мають істотно квантову природу, а в оптичному діапазоні і тим більше в діапазонах рентгенівських і g-променів випромінювання і поглинання Е. ст можуть бути описані лише на основі уявлень про дискретність цих процесів.

   Квантова теорія поля внесла істотні доповнення і в само уявлення про Е. ст У багатьох випадках електромагнітне випромінювання поводиться не як набір монохроматичних Е. ст з частотою w і хвилевим вектором до, а як потік квазічастинок — фотонів з енергією  і імпульсом   ( Планка постійна ) . Хвилеві властивості виявляються, наприклад, в явищах дифракція і інтерференції, корпускулярні, — в фотоефекті і Комптона ефекті .

  Літ.: Тамм І. Е., Основи теорії електрики, 9 видавництво М., 1976; Ландау Л. Д., Ліфшиц Е. М., Теорія поля, 6 видавництво, М., 1973 (Теоретична фізика, т. 2); їх же, Електродинаміка суцільних середовищ, М., 1959; Ландсберг Р. С., Оптика, 5 видавництво, М., 1976.

  Ст Ст Мігулін.

Шкала електромагнітних хвиль.