Электромагнитные волны

ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНЫЕ ВО́ЛНЫ, электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Электромагнитной волной называют распространяющееся электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем еще в 1832 г. Дж. Максвелл в 1865 г. в результате анализа предложенной им системы уравнений (см. Максвелла уравнения), описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458±1,2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.

В 1888 г. теория электромагнитных волн получила экспериментальное подтверждение  в опытах Г. Герца. Используя источник высокого напряжения и вибраторы (см. Герца вибратор), Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты по определению скорости распространения электромагнитной волны и ее длины. Экспериментально подтвердилось, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света, что доказывало электромагнитную природу света.

В электродинамике электромагнитное поле описывается четырьмя уравнениями Максвелла, благодаря которым существует возможность единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что они представляют собой не излучения различной природы, а электромагнитные волны с различной длиной волны.

В однородной и  изотропной среде, свободной от зарядов  и токов, уравнения Максвелла  приводят к волновым уравнениям, которые  показывают, что электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн, скорость которых равна n = 1/v(ee_оmm_о) = с/v(em), где e_о и m_о — электрическая и магнитная постоянные, e и m — электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме эта скорость равна скорости света, так как e= 1 и m= 1. В веществе скорость распространения электромагнитных волн всегда меньше, чем в вакууме.

Колебания электрического и магнитного полей в свободной  электромагнитной волне происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях в направлениях, перпендикулярных направлению  распространения волны. Из уравнений  Максвелла следует, что векторы  напряженностей Е и Н переменного электромагнитного поля для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов удовлетворяют волновым уравнениям:

DЕ = d²Е/v²dt²

DН = d²Н/v²dt²

где D = d²/dx² + d²/dy² + d²/dz^{2 —} оператор Лапласа, v — фазовая скорость. Всякая функция, удовлетворяющая этим уравнениям, описывает некоторую волну. Следовательно, электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн.

В отличие от статического электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника, электромагнитная волна  существует без источника в том  смысле, что после ее излучения  электромагнитное поле не связано с  источником.

Независимо от природы  электромагнитные волны обладают общими свойствами. На скорость и характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в  которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы.

Если среда неоднородна  или содержит поверхности, на которых  изменяются ее электрические или  магнитные свойства, или если в  пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно  отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут  распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.

В бегущей монохроматической  электромагнитной волне плотности  энергии электрического и магнитного полей, совершая гармоническое колебание  с частотой 2w, равны друг другу в каждой точке в любой момент времени.

Колебания электрического и магнитного полей происходят во времени в одинаковой фазе, то есть электрическое и магнитное поля одновременно достигают минимумов  и максимумов. Напряженности электрического и магнитного полей в свободной  электромагнитной волне взаимосвязаны:

v(ee_о)^.Е = v(mm_о)^.Н, причем эти соотношения связывают как мгновенные, так и амплитудные значения полей.

Электромагнитные  волны различных частотных диапазонов характеризуются различными способами  возбуждения. Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или соответственно переменное магнитное поле. На расстоянии от источника много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические электромагнитные волны. Они поперечные и линейно поляризованы. Монохроматическую и когерентную волну излучает гармонический осциллятор. Ее рассматривают как монохроматическую волну, у которой постоянна частота колебаний. Свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на то, что эти волны поперечные.

В случае анизотропии  среды могут возникнуть изменения  поляризации. В общем случае концы  поляризованной плоской волны описывают  эллипсоид, и такая волна называется поляризованной эллиптически. Поляризация  электромагнитной волны — очень  важное ее свойство. От положения плоскости  поляризации по отношению к отражающей поверхности зависит коэффициент  отражения волны, степень поглощения волны кристаллами и характер рассеяния неоднородностями. Реальные электромагнитные волны имеют более  сложную структуру, и на практике когерентной называют волну, у которой  не меняется фаза за время наблюдения того или иного явления.

Характер изменения  во времени Е и Н электромагнитной волны определяется законом изменения тока I и зарядов e, ее возбуждающих. Однако ее форма повторяет форму тока только в случае, если электромагнитные волны распространяются в линейной среде, электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н.

Частота колебаний  электрического и магнитного полей в электромагнитной волне связана с длиной волны соотношением: l= с/n.

Электромагнитная  волна обладает энергией, импульсом, массой, а если она является эллиптически- и циркулярнополяризованной, то обладает еще и моментом импульса.

Электромагнитная  волна переносит энергию. Средняя  величина энергии плоской поляризованной волны <W> = ee_oA²/2 Дж/см³.

Энергия волны Е_в, протекающая через поверхность S , перпендикулярную распространению волны, за время t , равна Е_в = <W>cSt. Величину I =<W>c называют интенсивностью.

Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами, то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Когда  волна поглощается, ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает, следовательно, при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Давление электромагнитных волн объясняется  том, что под действием электрического поля волны заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля действию сил Лоренца. Однако величина этого давления ничтожно мала. Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс, модуль которого равен энергии, деленной на скорость света. Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым в 1900 г.

Появление квантовых  генераторов, в частности лазеров, позволило получить значения напряженности электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитной волны в нелинейной среде ее форма изменяется.

В зависимости от длины электромагнитных волн существуют различные способы их излучения  и регистрации, такие волны по-разному  взаимодействуют с веществом  и т. п. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью  света независимо от частоты колебаний. Радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение находят свое место в единой шкале электромагнитных волн, причем между соседними диапазонами шкалы нет резкой границы. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики.

Источниками низкочастотных колебаний с частотой n - до 10³ Гц, и длиной волны l порядка 10³ - 10^-4м, являются генераторы переменного тока; электромагнитные волны такой длины применяются в электротехнике. Диапазон радиоволн простирается от длинных ДВ до ультракоротких УКВ и СВЧ волн. Источниками возбуждения радиоволн с частотой 3^.10⁵ - 3.10¹² Гц и длиной волны l - 3.10⁵ м, являются генераторы радиочастот, СВЧ-генераторы, массовые излучатели, ламповые генераторы; электромагнитные волны такого диапазона применяются в радиотехнике, телевидении, радиосвязи, радиолокации. Для радиоволны простейшим излучателем является электрический диполь — отрезок проводника, по которому протекает переменный ток. Такой диполь называется антенной.

Источником возбуждения  инфракрасного излучения частотой порядка 10¹² Гц и длинами волн порядка 3^.10^-3 м, является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Источником возбуждения ультрафиолетового излучения с частотой порядка 7,5^.10¹⁴ Гц, а также мягкого рентгеновского излучения, используемого в медицине, является излучение атомов при воздействии на них ускоренных электронов. Для возбуждения волн оптического и рентгеновского диапазонов характерны процессы, происходящие внутри атомов вещества, а для g-лучей — внутриядерные процессы. Процессы в атомах при воздействии на них ускоренных заряженных частиц сопровождаются гамма-излучением.

Еще более коротковолновое  излучение возникает при торможении быстро заряженных частиц в веществе. Переход атомного ядра из одного состояния  в другое или, например, аннигиляция  частиц приводят к испусканию g-излучения  — электромагнитных волн с наиболее высокими частотами колебаний. Жесткое  гамма-излучение сопровождает ядерные  процессы и радиоактивный распад.

Электромагнитному излучению присущи черты дискретности. По мере перехода от более длинных  волн (малых частот) к более коротким (большим частотам) волновые свойства электромагнитных волн (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых определяющую роль играет энергия hn, проявляются сильнее. На высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне, и тем более в диапазонах рентгеновских и гамма-лучей, излучение и поглощение электромагнитных волн может быть описано только на основе представлений о дискретности этих процессов.

Во многих случаях  электромагнитное излучение ведет  себя не как набор монохроматических  электромагнитных волн с определенной частотой, а как поток квазичастиц  — фотонов. В первую очередь это относится к электромагнитному излучению высокой частоты. А. Эйнштейн обобщил идею М. Планка о дискретности излучения, предположив, что такая дискретность не связана с каким-то особым механизмом взаимодействия излучения с веществом, а внутренне присуща самому электромагнитному излучению, которое представляет собой кванты — фотоны. Эти представления получили экспериментальное подтверждение — на их основе были объяснены закономерности фотоэффекта и эффекта Комптона. Но наряду с корпускулярными свойствами фотон обладает и волновыми свойствами. Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в представление об электромагнитных волнах. Рентгеновское излучение, гамма-излучение обычно рассматриваются как поток квантов- корпускул с энергией ђ, где ђ — постоянная Планка. Законы излучения атомов и молекул также объясняет квантовая теория излучения. На ее основе построены когерентные излучатели микроволн и световых волн — мазеры и лазеры.