«Трактате по электричеству и магнетизму», уже не использовал механические модели.

Детальные исследования уравнений Максвелла показали, что с их помощью можно объяснить любые известные классические электромагнитные явления, вообще не прибегая к использованию эфира. Например, для распространения электромагнитных волн в пространстве в принципе не требуется никакой среды. Это связано с тем, что если в какой-либо области пространства возникло, например, переменное электрическое поле, то оно создаст в этой области переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаст переменное электрическое поле и т. д. Эти переменные и связанные между собой электрическое и магнитное поля как раз и образуют электромагнитную волну, распространяющуюся в пространстве со скоростью света.

6.5. Электромагнитные волны

В случае непроводящей среды ( j = 0 ) систему уравнений (6.11)–(6.14) можно решить относительно

они имеют вид:

где Em и H m – амплитуды напряжённостей

электрического и магнитного полей соответственно, причём модули этих векторов связаны между собой соотношением

Рис. 6.5. Временная зависимость напряжённости электрического поля (а) и координатная зависимость векторов напряжённостей электрического и

Из (6.15) непосредственно следует, что имеет место распространение электромагнитной волны, так как

изменения векторов E и H происходит по закону

косинуса, аргумент которого зависит линейно от времени и координаты. Если зафиксировать координату и посмотреть

как изменяются E и H со временем, то можно убедиться, что эти изменения происходят по закону косинуса с периодом T (рис. 6.5 а). А если мгновенно сфотографировать в момент времени t распределение

векторов E и H вдоль координаты x , то можно будет убедиться, что эти векторы меняются по координате по закону косинуса с периодом равным длине волны λ

(рис. 6.5 б).

Электромагнитная волна является поперечной, так как

колебания векторов E и H происходят в направлениях перпендикулярных направлению распространения, причём эти векторы перпендикулярны друг другу и образуют с вектором скорости v распространения волны правую винтовую тройку.

В 1865 году Максвелл выдвинул идею об электромагнитной природе света. Он считал, что свет является одним из видов электромагнитного излучения, которому соответствуют определённый диапазон частот и длин волн. Дальнейшие исследования свойств света подтвердили эту идею Максвелла.

6.6. Волновая оптика

Волновая оптика – это раздел физики, изучающий совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, а именно, когда свет рассматривается как электромагнитная волна. Вопрос о том, что такое свет интересовал человека издревле и, по мере накопления

экспериментальных данных о его свойствах, менялись и представления о нём. Рассмотрим эволюцию представлений

оприроде света.

1.Пифагор (~ 580–500 гг. до н. э.) считал, что предметы становятся видимыми благодаря мельчайшим частицам, испускаемым ими и попадающим в глаз наблюдателя.

2.Декарт (1596–1650) полагал, что свет – это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), заполняющей мировое пространство и промежутки между частицами тел.

3.Ньютон (~ 1670 г.) высказал предположение о том, что свет имеет корпускулярную природу.

4.Гюйгенс (~ 1678 г.) сделал попытку объяснить распространение, отражение и преломление света с волновой точки зрения.

5.В период 1807 – 1850 гг. благодаря работам Юнга, Френеля и др. по интерференции и дифракции света, а также опытам Физо и Фуко (1850 г.) по измерению скорости света в веществе (v<c), чаша весов склонилась в пользу волновой природы света.

6.Максвелл в 60-е годы XIX века пришёл к заключению, что свет – это электромагнитные волны.

7.Планк в 1900 году, изучая излучение абсолютно чёрного тела, выдвинул гипотезу о том, что свет излучается порциями – квантами, а объяснение фотоэффекта,

сделанное Эйнштейном в 1905 году, было основано на том, что свет не только излучается, но и распространяется, и поглощается также квантами. Частицы света, энергия которых квантована позднее были названы фотонами.

Следовательно, свет, с одной стороны, проявляет волновые свойства (интерференция и дифракция), а с другой – корпускулярные (излучение, фотоэффект и др.), т. е. существует корпускулярно-волновой дуализм природы света. Сначала приступим к изучению волновых свойств света.

Световая волна, как мы уже знаем, представляет собой электромагнитную волну. Длины волн видимого света заключены в пределах 0,40 – 0,76 мкм. Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В световой волне, как и в любой электромагнитной волне, колеблются два вектора – напряженности электрического и напряженности магнитного полей.

Как показывает опыт, физиологическое, фотоэлектрическое, фотохимическое и другие действия вызываются колебаниями электрического вектора. В соответствии с этим в дальнейшем будем рассматривать поведение только вектора напряжённости электрического поля. Если будет необходимо иметь информацию о векторе напряжённости магнитного поля, то её всегда можно получить, используя систему уравнений (6.15).

Несмотря на то, что световые волны поперечны, они обычно не обнаруживают асимметрии относительно луча (луч – линия вдоль которой распространяется световая энергия). Это обусловлено тем, что в естественном свете

(т. е. свете, испускаемом обычными тепловыми источниками) имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается около 10–8 с. За это время успевает образоваться последовательность горбов и впадин (или, как говорят, цуг волн) протяжённостью примерно 3 м (рис. 6.6 а). «Погаснув», атом через некоторое время «вспыхивает» вновь. Одновременно излучает много атомов. Излучённые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Плоскость колебаний вектора напряжённости в каждом цуге ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис. 6.6 б). Это говорит о том, что в естественном свете колебания вектора напряжённости электрического поля не упорядочены, т. е. отсутствует поляризация волны.