3. Волновые уравнения для электромагнитного поля и их решения. Скорость распространения электромагнитных волн в средах. Основные свойства электромагнитных волн.

Пусть имеется однородная и изотропная среда вдали от зарядов и токов. Возбудим в какой-либо точке пространства переменное электрическое гармоническое поле (Предположим Для простоты рассматриваем этот частный случай).

Из уравнений Максвелла при условии сделанных предположений можно получить волновые уравнения электромагнитного поля

 = √ℰμℰ μ

, (30-14)

где - скорость распространения электро-

магнитной волны.

Процесс распространения электромагнитного поля в пространстве называется электромагнитной волной.

П одставим ℰ = 8,85 μ = в выражение для скорости . Если среда – вакуум, то ℰ = 1, μ = 1, тогда получим  = , то есть скорость электромагнитной волны в вакууме равна скорости света в вакууме. Это обстоятельство приводит к выводу, что свет - электромагнитная волна.

Решения уравнений (30-14)

(30-15)

Выражения (30-15) – уравнения электромагнитной волны. Их графическое

представление показано на рис. 30.5. Электромагнитная волна является поперечной волной, то есть колебания векторов и происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Вектора и достигают максимума одновременно, но колеблются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Х

У

Z

Рис. 30.5

Как показывает опыт, электромагнитные волны проходят через диэлектрики и отражаются от металлов. Для них свойственны такие явления как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия (рассмотрим далее в разделе «Оптика»).

Итак, из решения уравнений Максвелла получаются следующие выводы:

– если в какой-либо ограниченной области пространства возникает электромагнитное поле, то оно не остается локализованным в этой области, а распространяется с конечной скоростью, зависящей от свойств среды;

– если электрическое и магнитные поля меняются по простому гармоническому закону, то электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде плоской электромагнитной волны.

4. Энергия и поток энергии электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга.

Поскольку и электрическое и магнитное поля обладают определенной энергией, то электромагнитная волна имеет определенный запас энергии. Объемная плотность электрического поля = ℰℰ /2, магнитного поля = μμ /2. Можно показать [ ], что вследствие равноценности электрического и магнитного полей = . То есть

ℰℰ /2= μμ /2.

Извлекая, квадратный корень из обеих частей, получим

√ℰℰ = √μμ

(30-16)

Существенно то, что электрическое и магнитное поля колеблются в одинаковых фазах. Они одновременно достигают максимума и минимума, но в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Плотность энергии электромагнитного поля складывается из составляющих

w = + = ℰℰ /2 + = μμ /2

Представляя ℰℰ ∙ /2 как ℰℰ ∙ ∙ ℰℰ ∙ /2 и μμ ∙ /2 как μμ ∙ ∙

μμ ∙ /2, получим

w = ℰℰ ∙ ∙ ℰℰ ∙ /2 + μμ ∙ ∙ μμ ∙ /2

У множим и разделим первое слагаемое на μμ ∙ , а второе на ℰℰ ∙

w = μμ ∙ ℰℰ ∙ /2 ∙ ℰℰ ∙ / μμ ∙ + ℰℰ ∙ μμ /2∙

∙ μμ ∙ / ℰℰ ∙

У читывая равенство (30-16), производим необходимые сокращения и в результате получим

w = ℰ∙ℰ ∙μ∙μ ∙ ∙

П оскольку 1/ ℰ∙μ∙ℰ ∙μ =  - скорость распространения электромагнитной волны (см. (30-15)), то w = 1/ u ∙ . Умножив найденное выражение для w на скорость волны u, получим модуль вектора плотности потока энергии S = w∙u = ∙ . Векторы и перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему. Следовательно, вектор плотности потока электромагнитной энергии можно представить как векторное произведение и , так как направление вектора совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен . Таким образом

(30-17)

Вектор называется вектором Пойнтинга. (Или вектором Умова-Пойнтинга.) Общее представление о потоке энергии в пространстве впервые было введено русским ученым Умовым в 1874 г. Поэтому вектор потока энергии без конкретизации ее физической природы называется вектором Умова. Пойнтингом было получено выражение (30-17).)

Физический смысл вектора Пойнтинга – плотность потока электромагнитной энергии, распространяющейся вместе с волной, то есть количество энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны (рис. 30.6).

Рис. 30.6