Електромагнітна хвиля
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Електромагнітна хвиля це процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі.
Зміст |
[ред.] Рівняння
Електромагнітні хвилі описуються загальними для електромагнітних явищ рівняннями Максвела. Навіть у випадку відсутності у просторі електричних зарядів і струмів рівняння Максвела мають відмінні від нуля розв'язки. Ці розв'язки описують електромагнітні хвилі.
У випадку відсутності зарядів і стумів рівняння Максвела набирають наступного виду:
,
,
,
.
Застосовуючи операцію rot до перших двох рівнянь можна отримати окремі рівняння для визначення напруженості електричного і магнітного поля
Ці рівняння мають типову форму хвильових рівнянь. Їхніми розв'язками є суперпозиція виразів наступного типу
,
,
де - певний вектор, який називається хвильвим вектором, ω - число, яке називається циклічною частотою, φ - фаза. Величини
та
є амплітудами електричної та магнітної компоненти електромагнітної хвилі. Вони взаємно перпендикулярні й рівні за абсолютною величиною. Фізична інтерпретація кожної із введених величин дається нижче.
[ред.] Характеристики
У порожнечі електромагнітна хвиля розповсюджується із швидкістю, яка називається швидкістю світла. Швидкість світла є фундаментальною фізичною константою, яка позначається латинською літерою c. Згідно із основним постулатом теорії відносності швидкість світла є максимальню можливою швидкістю передачі інформації чи руху тіла.
Електромагнітна хвиля характеризується частотою. Розрізняють лінійну частоту ν й циклічну частоту &omega = 2πν. В залежності від частоти електромагнітні хвилі належать до одного із спектральних діапазонів.
Іншою характетистикою електромагнітної хвилі є хвильовий вектор . Хвильовий вектор визначає напрямок розповсюдження електромагнітної хвилі, а також її довжину. Абсолютне значення хвильвого вектора називають хвильовим числом.
Довжина електромагнітної хвилі λ = 2π / k, де k - хвильове число.
Довжина електромагнітної хвилі зв'язана з частотою через закон дисперсії. У порожнечі цей зв'язок простий:
- λν = c.
Часто дане співвідношення записують у вигляді
- ω = ck.
Електромагнітні хвилі із одинаковою частотою й хвильовим вектором можуть розрізнятися фазою.
У порожнечі вектори напруженості електричного й магнітного полів електомагнітної хвилі обов'язково перпендикулярні до напрямку розповсюдження хвилі. Такі хвилі називаються поперечними хвилями. Математично це описується рівняннями та
. Крім того, наруженості елекричного й магнітного полів перпендикулярні одна до одної й завжди в будь-якій точці простору рівні за абсолютною величиною: E = H [1]. Якщо вибрати систему координат таким чином, щоб вісь z співпадала із напрямком поширення електромагнітної хвилі, існуватимуть дві різні можливості для напрямків векторів напруженості електричного поля. Якщо електичне поле направлене вздовж осі x, то магнітне поле буде направлене вздовж осі y, і навпаки. Ці дві різні можливості не виключають одна одну й відповідають двом різним поляризаціям. Детальніше це питання розбирається в статті Поляризація електромагнітної хвилі.
[ред.] Спектральні діапазони
В залежності від частоти чи довжини хвилі (ці величини пов'язані між собою), електромагнітні хвилі відносять до різних діапазонів. Хвилі в різних діапазонах різним чином взаємодіють із фізичними тілами.
Електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до радіодіапазону. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на віддаль за допомогою радіо, телебачення, мобільних телефонів. У радіодіапазоні працює радіолокація. Радіодіапазон розділяється на метровий, дицеметровий, сантиметровий, міліметровий, в залежності від довжини електомагнітної хвилі.
Електромагнітні хвилі з вищою частотою належать до інфрачервоного діапазону. В інфрачервоному діапазоні лежить теплове випромінювання нагрітих тіл. Інфрачервоні промені використовуються в приладах нічного бачення, які використовують той факт, що наргіті тіла випромінюють інтенсивніше. Інфрачервоні хвилі застосовуються також для вивчення теплових коливань у тілах і допомагають встановити атомну структуру твердих тіл, газів та рідин.
Електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 400 нм до 800 нм належать до діапазону видимого світла. В залежності від частоти й довжини хвилі видиме світло розрізняється за кольорами.
Хвилі з довжиною меншою за 400 нм називаються ультрафіолетовими. Людське око їх не розрізняє, хоча їхні властивості не дуже відрізняються від властивостей хвиль видимого діапазону. Більша частота, а, отже, й енергія квантів такого світла призводить до більш руйнівної дії ультрафіолетових хвиль на біологічні об'єкти. Земна поверхня захищена від шкідливої дії ультрафіолетових хвиль озоновим шаром. Для додаткового захисту природа наділила людей темною шкірою. Проте ультрафіолетові промені потрібні людині для продукування вітаміну D. Саме тому люди в північних широтах, де інтенсивність ультрафіолетових хвиль менша, втратили темне забарвлення шкіри.
Електомагнітні хвилі ще вищої частоти належать до рентгенівського діапазону. Вони називають так тому, що їх відкрив Рентген, вивчаючи випромінювання, яке утворюється при гальмування електронів. В закордонній літературі такі хвилі заведено називати X-променями, поважаючи бажання Рентгена, щоб промені не називали його іменем. Рентгенівські хвилі слабо взаємодіють із речовиною, сильніше поглинаючись там, де густина більша. Цей факт використовується в медицині для рентгенівської флюорографії. Рентгенівські хвилі застосовуються такоє для елементного аналізу та вивчення структури кристалічних тіл.
Найвищу частоту й найменшу довжину мають γ-промені. Такі промені утворюються внаслідок ядерних реакцій і реакцій між елементарними частинками. γ-промені мають велику руйнівну дію на біологічні об'єкти. Проте вони використовуються у фізиці для вивчення різних характеристик атомного ядра.
[ред.] Енергія електромагнітної хвилі
Енергія електромагнітної хвилі визначається сумою енергій електричного й магнітного поля. Густина енергії в певній точці простору задається виразом:
.
Усереднена по часу густина енергії дорівнює.
,
де E0 = H0 - амплітуда хвилі.
Важливе значення має густина потоку енергії електромагнітної хвилі. Вона зокрема визначає світловий потік у оптиці. Густина потоку енергії електромагнітної хвилі задається вектором Умова-Пойнтінга.
[ред.] Електромагнітна хвиля в середовищі
Розповсюдження електромагнітних хвиль у середовищі має ряд особливостей порівняно із розповсюдженням у порожнечі. Ці особливості зв'язані із властивостями середовища й загалом залежать від частоти електромагнітної хвилі. Електрична та магнітна складова хвилі викликають поляризацію й намагнічування середовища. Цей відклик середовища неодинаковий у випадку малої й великої частоти. При малій частоті електромагнітної хвилі, електрони й іони речовини встигають відреагувати на зміну інтенсивності електричного й магнітного полів. Відклик середовища відслідковує часові ковання в хвилі. При великій частоті електрони й іони речовини не встигають зміститися протягом періоду коливання полів у хвилі, а тому поляризація та намагнічення середовища набагато менші.
Електромагнітне поле малої частоти не проникає в метали, де багато вільних електронів, які зміщуюються таким чином, що повністю гасять електромагнітну хвилю. Електромагнітна хвиля починає проникати в метал при частоті більшій за певну частоту, яка називається плазмовою частотою. При частотатах менших за 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 розповсюджуються із сталою амплітудою, то у середовищі вони затухають, внаслідок поглинання. При цьому енергія хвилі передається електронам чи іонам середовища. Загалом закон дисперсії за відсутності магнітних ефектів набирає вигляду
де хвильве число k - загалом комплексна величина, уявна частина якої описує зменшення амплітуди елетромагнітної хвилі, - залежна від частоти комплексна діелектрична проникність середовища.
В анізотропних середовищах напрямок векторів напруженості електричного та магнітного полів не обов'язково перпендикулярний напрямку розповсюдження хвилі. Проте 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 співпадає із напрямком розповсюдження хвилі.
[ред.] Корпускулярно-хвильовий дуалізм
[ред.] Випромінювання й поглинання
Згідно з уявленнями класичної електродинаміки електромагнітні хвилі випромінюються зарядами, які рухаються з прискоренням. Найпростішою системою, яка випромінює електромагнітну хвилю є диполь із періодично змінним дипольним моментом. При поглинанні енергія електромагнітної хвилі передається руху заряджених часток.
[ред.] Релятивістське формулювання
[ред.] Квантування
![]() |
Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її. |