3. Электромагнитные волны
3.1. Общие свойства электромагнитных волн
Электромагнитные волны - это переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Максимальная скорость света – в вакууме с=3.108 м/с. В любой другой среде скорость света («фазовая скорость света») всегда меньше с.
Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном частот (длин волн = c/), отличаются друг от друга по способам генерации, а также по своим свойствам.
Поэтому они делятся на несколько видов: радиоволны ( >10-4 м), световые волны [ИК-излучение (100 000 – 400 нм), видимый свет (800 - 400 нм), УФ-излучение (400- 1 нм)], рентгеновское излучение (2 - 6.10-3 нм), гамма-излучение (< 6.10-3 нм).
В
электромагнитной волне колеблются
электрический
и
магнитный
вектора, вектора
и
взаимно перпендикулярны и лежат в
плоскости, перпендикулярной вектору
скорости
распространения волны.
Колебания векторов и описываются уравнениями
Ey = Eocos(t - kx + ),
Hz = Hocos(t - kx + ), (1)
где
Ео, Но - амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей волны,
- круговая частота волны,
-
волновое число,
-
волновой вектор,
который показывает направление
распространения электромагнитной
волны,
- начальная фаза колебаний в точке с координатой х = 0.
Эти уравнения описывают плоскую монохроматическую волну.
3.2. Энергия электромагнитной волны
Как и любая волна, электромагнитная волна переносит энергию.
Объемная плотность энергии электромагнитной волны w есть сумма объемных энергий электрического wE и магнитного wH полей, и поскольку wE = wH, то
.
(2)
Вектор
(3)
называется вектором плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойтинга).
Вектор
направлен в сторону распространения
электромагнитной волны (как и волновой
вектор
)
и его модуль
S = EH (4)
равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.
3.3. Получение и регистрация электромагнитных волн
3.3.1. Получение электромагнитных волн
Наиболее часто используемый способ получения электромагнитных волн любого диапазона частот - это ускоренное движение заряженных частиц.
Различают источники электромагнитных волн работающих на свободных зарядах; на зарядах, связанных в атомах; на зарядах, связанных в атомных ядрах.
Свободные заряды (электроны) находятся в проводниках (металлах).
При приложению к проводнику переменного напряжение
U=Uocost (5)
в пространстве вокруг проводника возникнут электромагнитные волны частоты .
Технически возможно создание электромагнитных волн с < 1012 Гц, т.е. этот метод генерирует весь диапазон радиоволн.
Указанным способом можно получать монохроматическую электромагнитную волну, а также получать когерентные источники электромагнитных волн, подключив к генератору сразу несколько проводников.
2.Связанные заряды (электроны) в атомах находятся на стационарных орбитах и не излучают электромагнитные волны.
Электромагнитные волны испускаются, когда электрон переходит с одной орбиты на другую.
Такая модель рассматривает излучающий атом как затухающий осциллятор, который излучает не монохроматическую волну, а цуг
E=Eoexp(-t)cos(t), (6)
где коэффициент затухания связан с временем перехода o электрона с одной орбиты на другую
,
(7)
причем обычно o ≈ 10-8 с.
Планк выдвинул гипотезу, что такой цуг («квант», «фотон») имеет энергию
=h= ħ (8)
где h=6.6.10-34 Дж.с - постоянная Планка (ħ=h/2π=1.05.10-34 Дж.с)
Излучение связанных электронов двух источников не может быть когерентным.
Источник, основанный на колебаниях связанных электронов, может излучать и непрерывную монохроматичную электромагнитную волну - этот случай реализуется в квантовых генераторах (лазерах), которые дают возможность реализовать когерентные электромагнитные волны.
3.Связанные заряды (протоны) в атомных.
Все, что было сказано относительно излучения связанных электронов в атомах, справедливо и для связанных протонов. Цуг, излучаемый атомным ядром, носит название гамма-кванта (время жизни возбужденных ядер ~ 10-7 - 10-12 с).