Электромагнитные волны

Электромагнитными волнами называется процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля. Теоретически существование электромагнитных волн предсказано английским ученым Максвеллом в 1865 г., а впервые они экспериментально получены немецким ученым Герцем в 1888 г.

Из теории Максвелла вытекают формулы, описывающие колебания векторов  и . Плоская монохроматическая электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси x, описывается уравнениями

Здесь E и H — мгновенные значения, а E_m и H_m — амплитудные значения напряженности электрического и магнитного полей, ω — круговая частота, k — волновое число. Векторы  и  колеблются с одинаковой частотой и фазой, взаимно перпендикулярны и, кроме того, перпендикулярны вектору   v   — скорости распространения волны. Т. е. электромагнитные волны поперечны.

В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью . В среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью µ скорость распространения электромагнитной волны равна:

Частота электромагнитных колебаний, так же, как и длина волны, могут быть в принципе любыми. Классификация волн по частоте (или длине волны) называется шкалой электромагнитных волн. Электромагнитные волны делятся на несколько видов.

Радиоволны имеют длину волны от 10³ до 10^-4 м.

Световые волны включают:

• инфракрасное излучение,
• видимый свет в интервале

• ультрафиолетовое излучение.

Рентгеновское излучение 

Гамма-излучение   имеет длину волны < 10^-12 м.

Световые волны

Световые волны — это электромагнитные волны, которые включают в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра. Длины световых волн в вакууме, соответствующие основным цветам видимого спектра, указаны в нижеприведенной таблице. Длина волны дана в нанометрах, .

Таблица

Цвет	Длина волны, нм	Цвет	Длина волны, нм
красный	760 — 620	голубой	510 — 480
оранжевый	620 — 590	синий	480 — 450
желтый	590 — 575	фиолетовый	450 — 380
зеленый	575 — 510

Для световых волн характерны те же свойства, что и для электромагнитных волн.

1. Световые волны поперечны.

2. В световой волне колеблются вектора  и опыт показывает, что все виды воздействий (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызываются колебаниями электрического вектора . Его называют световым вектором. Уравнение световой волны имеет следующий вид

Амплитуду светового вектора E_m часто обозначают буквой A

3. Скорость света в вакууме

 Скорость световой волны в среде определяется по формуле

Но для прозрачных сред (стекло, вода) обычно магнитная проницаемость

 , поэтому  скорость вычисляют по

Для световых волн вводится понятие — абсолютный показатель преломления.

Абсолютным показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

С учетом того, что для прозрачных сред

 , можно записать

 Для вакуума ε = 1 и n = 1. Для любой физической среды n > 1. Например, для воды n = 1,33, для стекла . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Отношение абсолютных показателей преломления называется относительным показателем преломления:

4. Частота световых волн очень велика. Например, для красного света с длиной волны 

частота будет равна

При переходе света из одной среды в другую частота света не изменяется, но изменяется скорость и длина волны.Для вакуума — 

для среды — 

, тогда

Отсюда длина волны света в среде равна отношению длины волны света в вакууме к показателю преломления

5.Поскольку частота световых волн очень велика , то глаз наблюдателя не различает отдельных колебаний, а воспринимает усредненные потоки энергии. Таким образом вводится понятие интенсивности.

Интенсивностью называется отношение средней энергии, переносимой волной, к промежутку времени и к площади площадки, перпендикулярной направлению распространения волны:

Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды, то интенсивность пропорциональна среднему значению квадрата амплитуды

Характеристикой интенсивности света, учитывающей его способность вызывать зрительные ощущения, является световой поток — Ф.

6. Волновая природа света проявляется, например, в таких явлениях, как интерференция и дифракция.

Задачи:

1. Радиостанция ведет передачу на частоте 75 МГц. Найти длину волны.
2. В радиоприемнике один из коротковолновых диапазонов может принимать передачи, длина волны которых 24-26 м. Найти частотный диапазон.
3. Катушка приемного контура радиоприемника имеет индуктивность 1 мкГн. Какова емкость конденсатора, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 м?
4. Угол падения луча света на поверхность подсолнечного масла 60°, а угол преломления 36°. Найти показатель преломления масла.
5. На какой угол отклонится луч света от первоначального направления, упав под углом 45° на поверхность стекла, на поверхность алмаза?
6. Луч света переходит из воды в стекло. Угол падения равен 35°. Найти угол преломления.
7. Под каким углом должен падать луч на поверхность стекла, чтобы угол преломления был в 2 раза меньше угла падения?
8. Найти угол падения луча на поверхность воды, если известно, что он больше угла преломления на 10°.
9. Луч света падает под углом 60° на стеклянную пластину толщиной 2 см с параллельными гранями. Определить смещение луча, вышедшего из пластины.
10. На поверхность воды падает красный свет с длиной волны 0,7 мкм и далее распространяется в воде. Показатель преломления воды для красного света 1,33. Найти длину волны света в воде.

Задания и вопросы для самоконтроля

1. Что называется волной? Приведите примеры волн.
2. Что называется фронтом волны? Волновой поверхностью?
3. Назовите характеристики волнового процесса и дайте их определения.
4. Как получить уравнение плоской волны?
5. От чего зависит энергия и плотность энергии волн?
6. Что такое электромагнитная волна? Какова скорость ее распространения?
7. Что представляет собой шкала электромагнитных волн?
8. Что называется световым вектором?
9. Дайте определение абсолютного и относительного показателей преломления.
10. Что называется интенсивностью?