§ 10.2. Электромагнитные волны

Электромагнитные волны представляют собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Теоретически их существование было предсказано в 1865 г. Дж. К. Максвеллом, их экспериментальное наблюдение впервые осуществил Г. Герц в 1888 г.

Законы электромагнетизма, записанные в виде знаменитых уравнений Максвелла, констатируют механизм возникновения электрических и магнитных полей:

- электрическое поле создают во-первых, электрические заряды (это выражает теорема Гаусса), во-вторых, изменяющееся со временем магнитное поле (явление электромагнитной индукции);

- магнитное поле создают во-первых, движущиеся электрические заряды (токи), во-вторых, изменяющееся со временем электрическое поле.

Таким образом, электрические и магнитные поля взаимосвязаны друг с другом. Если в какой-либо области пространства возникнет переменное электрическое поле, то оно создаст переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует переменное электрическое поле и т. д. “Цепляясь” друг за друга, они образуют две неразрывные составляющие единого электромагнитного поля, которое может существовать в свободном пространстве (где нет ни зарядов, ни токов) в форме электромагнитных волн как самостоятельного вида материи. Применение уравнений Максвелла к подобной ситуации дает такие уравнения:

(10.2.1- a)

(10.2.1 - б)

Напомним, что E и H - соответственно напряженности электрического и магнитного полей, ₀ и ₀ - электрическая и магнитная постоянные,  и  - диэлектрическая и магнитная проницаемость среды соответственно. Сравнивая формулы (10.2.1- a) и (10.2.1 - б) с формулой (10.1.6), видим, что E и H представляют собой плоские бегущие волны вида (10.1.9), распространяющиеся с фазовой скоростью

=1/ (10.2.2)

В вакууме =1, =1, так что =1/ =1/ =3^.10 ⁸ м/с, т.е. любая электромагнитная волна в свободном пространстве распространяется со скоростью света с=3^.10⁸ м/с. Из этого свойства, в частности, следует, что в отличие от других видов материи, свободное электромагнитное поле не может находиться в состоянии покоя. В веществе скорость распространения =с/ . Решения волновых уравнений (10.2.1- a) и (10.2.1- б) имеют вид:

E=E_m sin( t - 2x/) (10.2.3- a)

H=H_m sin( t - 2x/) (10.2.3- б)

и являются плоской бегущей электромагнитной волной. Ее ”фотография”, т. е. распределение векторов напряженности электрического E и магнитного H полей вдоль луча в один и тот же момент времени представлена на рис. 47.

Рис. 47

Перечислим свойства плоской электромагнитной волны:

1) В электромагнитной волне обязательно присутствуют оба поля E и H, при этом EH.

2) Колебания электрического и магнитного полей в плоской электромагнитной волне происходят синфазно, при этом E = H. Таким образом, для описания волны достаточно одного из двух уравнений (10.2.3-a) или (10.2.3-б).

3) Электромагнитные волны поперечные. Это означает, что колебания векторов E и H происходят перпендикулярно вектору скорости распространения волны . Векторы , E, H образуют правую тройку подобно ортам i, j, k, указывающим направление декартовых осей координат.

4) В вакууме скорость распространения электромагнитных волн любой частоты равна скорости света с=3^.10⁸ м/с. Это, а также другие свойства электромагнитных волн доказывают, что свет является электромагнитной волной.

5) Электромагнитная волна, как и упругая, переносит энергию (возмущение)