43. Шкала электромагнитных волн. Оптический диапазон электромагнитных волн. Структура и свойства плоских электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн.
Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот и длин электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.
Длина |
Название |
Частота |
более 100 км |
Низкочастотные электрические колебания |
0-3 кГц |
100 км - 1 мм |
Радиоволны |
3 кГц - 3 ТГц |
100-10 км |
Мириаметровые (очень низкие частоты) |
3 - 3-кГц |
10 км - 1 км |
Километровые (низкие частоты) |
30 - 300 кГц |
1 км - 100 м |
Гектометровые (средние частоты) |
300 кГц - 3 МГц |
100 м - 10 м |
Декаметровые (высокие частоты) |
3 - 30 МГц |
10 м - 1 м |
Метровые (очень высокие частоты) |
30 - 300МГц |
1 м - 10 см |
Дециметровые (ультравысокие) |
300 МГц - 3 ГГц |
10 см - 1 см |
Сантиметровые (сверхвысокие) |
3 - 30 ГГц |
1 см - 1 мм |
Миллиметровые (крайне высокие) |
30 - 300 ГГц |
1 мм - 0.1 мм |
Децимиллиметровые (гипервысокие) |
300 ГГц - 3 ТГц |
2 мм - 760 нм |
Инфракрасное излучение |
150 ГГц - 400 ТГц |
760 нм - 380 нм |
Видимое излучение (оптический спектр) |
400 - 800 ТГц |
380 нм - 3 нм |
Ультрафиолетовое излучение |
800 ТГц - 100 ПГц |
10 нм - 1пм |
Рентгеновское излучение |
30 ПГц - 300 ЭГц |
<=10 пм |
Гамма-излучение |
>=30 ЭГц |
Оптический диапазон волн простирается от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного, что соответствует излучению с длинами волн от 0,3 до 145 мкм.
Самой простой гармонической электромагнитной волной является волна с постоянной амплитудой колебаний в любой точке наблюдения. Такие волны называются плоскими.
Наиболее простое выражение для векторов электромагнитного поля имеет плоская гармоническая волна, распространяющаяся вдоль одной их координатных осей принятой декартовой системы координат X, Y, Z, например, вдоль оси OX. Колебания вектора напряжённости электрического поля такой волны будет определяться выражением
где
- амплитуда колебаний электрического
вектора, постоянная во всех точках
пространства; k x=((
)
- пространственная составляющая полной
фазы волны, которая имеющая постоянное
значение в любой плоскости, параллельной
плоскости ZOY, определяемое расстоянием,
которое прошла волна от точки x=0;
φ₀
- начальная фаза колебаний волны при
t=0,
x=0.
Четыре
вектора
,
,
,
лежат в одной плоскости, перпендикулярной
к вектору
.
Структура плоской электромагнитной
волны в кристалле показана на рисунке
Основные свойства плоских электромагнитных волн:
1) поперечность
Эти
уравнения справедливы для любых плоских
волн. Отсюда следует, что в плоской
электромагнитной волне вектор
напряжённости электрического поля
,
вектор напряжённости магнитного поля
и
волновой вектор
взаимно
перпендикулярны и образуют правовинтовую
систему. Из перпендикулярности векторов
к
волновому вектору
следует,
что электромагнитные волны – поперечные.
2) синфазность
Таким образом, отношение численных значений векторов пропорционально корню из отношения проницаемостей и, следовательно, от времени не зависит, следовательно, эти векторы имеют одинаковые фазы и изменяются синхронно.
3) фазовая скорость – скорость распространения одинаковой фазы.
- фазовая скорость
В вакууме (ε=μ=1) скорость распространения поля численно равняется электродинамической постоянной, определяющей силу взаимодействия токов и имеющей размерность скорости. Значение электродинамической постоянной равно скорости света в вакууме.
4) поляризация
Если в электромагнитной волне поведение векторов в пространстве и времени подчиняется определённому закону, то такую волну называют поляризованной. Если направить ось системы координат вдоль волнового вектора , то вследствие поперечности электромагнитных волн векторы будут иметь отличные от нуля проекции только на оси х и у. Когда каждый из векторов совершает колебания только вдоль одной из взаимно перпендикулярных осей, тогда говорят, что волна имеет линейную, или плоскую поляризацию.
Плоскость, в которой лежит вектор напряжённости электрического поля волны и волновой вектор , называют плоскостью поляризации или плоскостью колебаний.
Энергия электромагнитных волн.
Электромагнитные волны могут производить различные действия: нагревание тел при поглощении света, вырывание электронов с поверхности металла под действием света (фотоэффект). Это свидетельствует о том, что электромагнитные волны переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся в пространстве электрическом и магнитном полях.
полная плотность энергии электромагнитной волны равна
Плотностью потока энергии называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади, перпендикулярной к направлению распространения волны:
