Электромагнитные волны и их свойства

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического молей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 30). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с. Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред, равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к спорости электромагнитных волн во второй среде, и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные полны способны к интерференции. Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это водны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

17. Волновое уравнение для электромагнитного поля

Из теории Максвелла следует, что образование переменного во времени электрического поля всегда вызывает возникновение вихревого магнитного поля и, наоборот, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Эти поля неразрывно связаны, а их совокупность условились называть единым электромагнитным полем. Векторы напряженностей и переменного электромагнитного поля для однородной и изотропной среды вдали от заряда и токов удовлетворяют волновым уравнениям

, , (3.13)

где – оператор Лапласа, - фазовая скорость.

Функция, удовлетворяющая этим уравнениям, описывает некоторую волну. Следовательно, электромагнитные поля могут действительно существовать в виде электромагнитных волн, фазовая скорость которых в веществе определяется выражением

, (3.14)

где . В вакууме , а , т.е. скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных волн: векторы , напряженностей электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны, а каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны, т.е. вектору , причем векторы, , , образуют правовинтовую систему. Из уравнения Максвелла следует, что мгновенные значения E и H в любой точке связаны соотношением

, (3.15)

т.е. колебания электрического и магнитного векторов происходят в одной фазе, следовательно, E и H одновременно достигают максимума и одновременно обращаются в ноль. От уравнений (5.1) можно перейти к уравнениям

, (3.16)

где соответственно индексы у и z при Е и H подчеркивают, что векторы и направлены вдоль взаимно перпендикулярных осей у и z. Уравнениям (3.16) удовлетворяют, в частности, плоские монохроматические электромагнитные волны, описываемые уравнениями

(3.17)

где Е₀ и Н₀ – амплитудные значения полей; ω – циклическая частота колебаний; – волновое число; – начальные фазы колебаний в точках с координатой х = 0.

Дата добавления: 2017-01-14