Электромагнитное излучение

1. Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть  переменных электромагнитных полей, которая  способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитное  излучение подразделяется на

• радиоволны (начиная со сверхдлинных),
• инфракрасное излучение,
• видимый свет,
• ультрафиолетовое излучение,
• рентгеновское излучение и жесткое (гамма-)излучение (см. ниже, см. также рисунок).

Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме (пространстве, свободном от вещества), но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном  веществом (несколько изменяя при  этом свое поведение).

Характеристики электромагнитного  излучения

Основными характеристиками электромагнитного  излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с  частотой через (групповую) скорость распространения  излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в  целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определенные более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и ее разделы) и радиофизика. Жестким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями, при высоких энергиях электродинамика перестает быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при еще более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся в  деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и  исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершенных и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

• наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
• электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

2. Классификация сред распространения электромагнитных волн

Наиболее простой средой с точки  зрения эффектов, сопровождающих распространение  электромагнитных волн, является вакуум. Вакуум представляет собой единственную среду распространения электромагнитных волн, в которой нет дисперсии и потерь, а скорость распространения электромагнитных волн не зависит от частоты. Волновое число определяет пространственную периодичность (длину волны ) электромагнитной волны частоты в направлении своего распространения:

.

(3.16a)

Отметим, что из этой формулы следует  фундаментальный вывод о связи  пространственной и временной периодичности (периода ) волны, определяемой своей частотой. Фундаментальность этого вывода связана тем, что это является лишь частным случаем проявления взаимосвязи временных и пространственных характеристик электромагнитных волн более сложной структуры, чем плоские.

На практике вакуум может являться достаточно адекватной моделью распространения  электромагнитных волн в сухом воздухе  и в разреженных газообразных средах.

В диэлектриках, не являющихся проводниками электричества, при постоянных электрических и магнитных полях проводимостью можно пренебречь. При малых частотах электромагнитного поля значение диэлектрической и магнитной проницаемости можно считать не зависящими от частоты и равными статическим значениям, имеющим место для постоянных полей. В этом случае пространственная и временная периодичности электромагнитной волны имеют качественно такой же характер связи, как и в вакууме. Количественное отличие касается зависимости величины фазовой скорости распространения волны от оптической плотности среды , в результате которой длина волны электромагнитной волны в среде оказывается в раз меньше волны в вакууме:

(3.16b)

Это свойство электромагнитной волны  при распространении на некоторое  расстояние в среде с оптической плотностью позволяет определить оптическую длину пути , проходимого волной в среде, определяемую следующим выражением:

.

(3.16c)

Понятие оптической длины пути и  связанное с ним понятие оптической разности хода волн лучей широко используется для объяснения многих оптических явлений и понимания принципов работы оптических приборов.

При распространении электромагнитной волны в среде изменяется по сравнению  с вакуумом также соотношение  между амплитудами её векторов напряженностей электрического и магнитного полей  ввиду зависимости величины волнового  сопротивления среды от отношения  электрической и магнитной проницаемостей.

При увеличении частоты необходимо учитывать зависимость комплексных  значений электрической и магнитной  проницаемостей среды от частоты, вследствие особенностей физических процессов  поляризации или/и намагничивания среды при распространении электромагнитной волны в диэлектрике / магнетике.

Для примера можно указать статическое  значение относительной диэлектрической проницаемости воды для постоянных полей . Для волн инфракрасного диапазона, соответствующих длине волны , значение комплексной диэлектрической проницаемости . Объяснение особенностей зависимости воды от частоты исходит из представлений о воде, как о полярном диэлектрике, поляризация которого происходит вследствие поворота имеющих большую инерцию молекул воды под действием переменного электрического поля электромагнитной волны. Особенно сильная дисперсия резонансного характера отмечается для частот сантиметрового диапазона электромагнитных волн (длина волны ).

Сильную дисперсию имеет водяной  пар в диапазоне миллиметровых волн ( ) .

Как правило, сильная дисперсия  в некотором диапазоне частот сопровождается значительными потерями энергии распространяющихся электромагнитных волн из-за резонансного характера  взаимодействия электромагнитной волны  с атомами и молекулами среды.

Для неполярных диэлектриков, как то - воздух, бензол, водород, гелий, неон и др. инертные газы, сера , алмаз, соотношение

,

(3.17)

определяемое статическими значениями относительных диэлектрических  и магнитных проницаемостей, остаётся справедливым вплоть до оптического  диапазона электромагнитных волн ( частота 10¹⁴ ... 10¹⁵ герц ).

Объяснение этого факта основано на том, что в неполярных диэлектриках поляризация происходит за счёт деформации электронной оболочки составляющих их атомов и молекул. Ввиду малой инерционности электронов вектора смещения и напряженности электрического поля колеблются практически в одной фазе вплоть до весьма высоких частот электромагнитных волн, что и приводит к малой дисперсии неполярных диэлектриков.

Можно показать, что резонансный характер взаимодействия электромагнитных волн с электронами атомов и молекул неполярных диэлектриков приводит к следующей характерной зависимости их комплексной диэлектрической проницаемости от частоты:

,

где - резонансная частота; - коэффициент, учитывающий потери электромагнитной волны на поляризацию диэлектриков.

В реальных диэлектриках, как правило, комплексная диэлектрическая проницаемость может иметь несколько резонансных частот , которым будет соответствовать сумма в выражении для :

.

Следующий рассматриваемый класс  сред распространения составляют металлы, являющиеся проводниками электричества.

Для неферромагнитных материалов их электродинамические свойства определяются исключительно проводимостью вещества. Как показывает опыт, проводимость металлов во всем диапазоне электромагнитных волн радиочастотного диапазона вплоть до миллиметровых волн сохраняет своё значение, имеющее место для статических полей (при постоянном токе). В оптическом диапазоне, начиная с инфракрасного диапазона, электродинамические свойства имеют более сложный характер в зависимости от частоты электромагнитных волн.

Характерной особенностью комплексной диэлектрической проницаемости металлов является значительное превосходство по величине мнимой части над действительной , которой по этой причине обычно пренебрегают, т.е. полагают в соответствии с формулой (3.14), что:

.

(3.18)

Величина проводимости для хороших  и плохих проводников могут отличаться на два порядка. В качестве примера  рассмотрим медь с величиной удельной проводимости ом^-1метр^-1, относящуюся к хорошим проводникам , и висмут, являющийся полуметаллом ом^-1метр^-1.

Найдем значения модулей мнимых частей комплексной диэлектрической  проницаемостей для рассмотренной  пары металлов по формуле (3.18) для световых волн (частота гц):

 

Отсюда следует, что для всех металлов во всем диапазоне радиочастот  и отчасти в оптическом диапазоне  . Это оправдывает пренебрежение действительной части по сравнению с мнимой при расчёте комплексной диэлектрической проницаемости по формуле (3.18).

Из других проводников отметим электролиты, проводимость которых обусловлена ионами. Проводимость электролитов при низких частотах электромагнитных волн весьма высокая. Однако с ростом частоты проводимость падает и для большинство электролитов для оптического диапазона прозрачны. Отметим, что факт прозрачности вещества говорит об отсутствия поглощения электромагнитных волн из-за наличия мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости, обусловленной в основном проводимостью. Для поваренной соли проводимость снижается уже в метровом диапазоне электромагнитных волн.

Отметим, что в зависимости от диапазона электромагнитных волн не только проводники могут становиться изоляторами, как в примере с поваренной солью, но и наоборот - изоляторы могут становиться проводниками, как это имеет место для этилового спирта, который начинает эффективно поглощать электромагнитные волны в диапазоне длин волн 3 см - 20 см.

Магнитные свойства ферромагнитных веществ весьма сильно изменяются с частотой. Так для ферромагнитных сердечников используемых в радиотехнике значение магнитной проницаемости резко уменьшается с ростом частоты, начиная со звуковых частот (10 - 20 Кгц ) электромагнитных волн.

Специальные магнитные материалы - ферриты , приготовленные на основе порошковой технологии из ферромагнетиков , сохраняют большие значения магнитной проницаемости, характерные для обычных ферромагнетиков для статических полей, и для радиочастот, вплоть до сверхвысокочастотного диапазона электромагнитных волн.

Интересными электродинамическими особенностями  обладает плазма. Для не слишком интенсивных электромагнитных полей в первом приближении плазму можно считать средой с магнитной проницаемостью и диэлектрической проницаемостью , которая может быть вычисляемой по формуле: