Электромагнитные волны

Если электромагнитное поле меняется со временем периодически, то распространение его в пространстве представляет волновой процесс. В свободном пространстве электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью.

Электромагнитные волны получены Герцем (1888 г.), изучены Лебедевым (1894 г.) и практически применены для радиосвязи Поповым (1896 г.).

Периодические электрические и магнитные колебания можно возбудить в колебательном контуре, имеющем индуктивность Lи емкость С.

Рис.3.26

Период Т и циклическую частоту ω собственных колебаний в контуре можно вычислить по формуле Томсона:

; (3.85)

Чтобы электромагнитные колебания распространялись в пространстве, контур нужно сделать открытым, увеличив расстояние между обкладками конденсатора и заменив катушку линейным проводником (рис.3.26,б).

Вектор электрической напряженности в каждой точке поля изменяется с частотой ω, его колебания достигают некоторой точки пространства на расстоянииrс некоторым запозданием по времени τ =r/V(гдеV– скорость распространения волны).

(3.86)

Величина k= 2π/λ – называется волновым числом (λ =VT).

Аналогичным образом и для вектора магнитной напряженности можно записать:

(3.87)

Формулы (3.86) и (3.87) характеризуют колебания векторовив электромагнитной волне, распространяющейся в направлении.

Мгновенная «фотография» плоской электромагнитной волны показана на рис. 3.27

Рис. 3.27

Электромагнитная волна является поперечной. Фазовая скорость распространения волн зависит от свойства среды:

, (3.88)

где ε и μ - соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды. В вакууме, где ε=μ=1, скорость распространения электромагнитных волн максимальна и равна скорости светаc= 3·10⁸м/c. Герц наблюдал у электромагнитных волн такие одинаковые со светом свойства как отражение, преломление, интерференция, поляризация и т.д. Все это свидетельствует ополной тождественности электромагнитных волн и света.

Колебания электрического и магнитного векторов в волне происходят с одинаковой фазой (ωt–kr), т.е. в одни и те же моменты времени t векторыидостигают максимума и минимума в одних и тех же точках пространства. Амплитуды этих векторов связаны между собой соотношением

Расстояние между соседними точками, колеблющимися в одинаковых фазах, или между точками, фазы колебаний которых отличаются на , равно длине волны λ =VT.

Электромагнитные волны переносят с собой энергию W. Энергия волны в единице объема складывается из плотности энергии электрического поляи плотности энергии магнитного поля μμ₀Н²/2 т.е.

(3.89)

Плотность потока энергии характеризуется вектором Пойнтинга . При взаимной перпендикулярности векторовивекторориентирован в направлении переноса энергии, т.е. в сторону распространения волны (вектора).

Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на тела, что было подтверждено опытами Лебедева.