Уравнение электрического поля в электромагнитной волне

2.6. Электромагнитные волны

Любой колебательный контур излучает энергию. Изменяющееся электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле, и наоборот. Математические уравнения, описывающие связь магнитного и электрического полей, были выведены Максвеллом и носят его имя. Запишем уравнения Максвелла в дифференциальной форме для случая, когда отсутствуют электрические заряды () и токи (j = 0):

Величины и — электрическая и магнитная постоянные, соответственно, которые связаны со скоростью света в вакууме соотношением

Постоянные и характеризуют электрические и магнитные свойства среды, которую мы будем считать однородной и изотропной.

В отсутствие зарядов и токов невозможно существование статических электрического и магнитного полей. Однако переменное электрическое поле возбуждает магнитное поле, и наоборот, переменное магнитное поле создает электрическое поле. Поэтому имеются решения уравнений Максвелла в вакууме, в отсутствие зарядов и токов, где электрические и магнитные поля оказываются неразрывно связанными друг с другом. В теории Максвелла впервые были объединены два фундаментальных взаимодействия, ранее считавшихся независимыми. Поэтому мы говорим теперь об электромагнитном поле.

Колебательный процесс в контуре сопровождается изменением окружающего его поля. Изменения, происходящие в окружающем пространстве, распространяются от точки к точке с определенной скоростью, то есть колебательный контур излучает в окружающее его пространство энергию электромагнитного поля.

Электромагнитная волна — это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в котором напряженность электрического и индукция магнитного полей изменяются по периодическому закону.

При строго гармоническом изменении во времени векторов и электромагнитная волна называется монохроматической.

Получим из уравнений Максвелла волновые уравнения для векторов и .

Волновое уравнение для электромагнитных волн

Как уже отмечалось в предыдущей части курса, ротор (rot) и дивергенция (div) — это некоторые операции дифференцирования, производимые по определенным правилам над векторами. Ниже мы познакомимся с ними поближе.

Возьмем ротор от обеих частей уравнения

При этом воспользуемся доказываемой в курсе математики формулой:

где — введенный выше лапласиан. Первое слагаемое в правой части равно нулю в силу другого уравнения Максвелла:

Получаем в итоге:

Выразим rotB через электрическое поле с помощью уравнения Максвелла:

и используем это выражение в правой части (2.93). В результате приходим к уравнению:

и вводя показатель преломления среды

запишем уравнение для вектора напряженности электрического поля в виде:

Сравнивая с (2.69), убеждаемся, что мы получили волновое уравнение, где v — фазовая скорость света в среде:

Взяв ротор от обеих частей уравнения Максвелла

и действуя аналогичным образом, придем к волновому уравнению для магнитного поля:

Полученные волновые уравнения для и означают, что электромагнитное поле может существовать в виде электромагнитных волн, фазовая скорость которых равна

В отсутствие среды (при ) скорость электромагнитных волн совпадает со скоростью света в вакууме.

Основные свойства электромагнитных волн

Рассмотрим плоскую монохроматическую электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси х:

Возможность существования таких решений следует из полученных волновых уравнений. Однако напряженности электрического и магнитного полей не являются независимыми друг от друга. Связь между ними можно установить, подставляя решения (2.99) в уравнения Максвелла. Дифференциальную операцию rot, применяемую к некоторому векторному полю А можно символически записать как детерминант:

Подставляя сюда выражения (2.99), зависящие только от координаты x, находим:

Дифференцирование плоских волн по времени дает:

Тогда из уравнений Максвелла следует:

Отсюда следует, во-первых, что электрическое и магнитное поля колеблются в фазе:

Далее, ни у , ни у нет компонент параллельных оси х:

Иными словами и в изотропной среде,

электромагнитные волны поперечны: колебания векторов электрического и магнитного полей происходят в плоскости, ортогональной направлению распространения волны.

Тогда можно выбрать координатные оси так, чтобы вектор был направлен вдоль оси у (рис. 2.27):

Рис. 2.27. Колебания электрического и магнитного полей в плоской электромагнитной волне

В этом случае уравнения (2.103) приобретают вид:

Отсюда следует, что вектор направлен вдоль оси z:

Иначе говоря, векторы электрического и магнитного поля ортогональны друг другу и оба — направлению распространения волны. С учетом этого факта уравнения (2.104) еще более упрощаются:

Отсюда вытекает обычная связь волнового вектора, частоты и скорости:

а также связь амплитуд колебаний полей:

Отметим, что связь (2.107) имеет место не только для максимальных значений (амплитуд) модулей векторов напряженности электрического и магнитного поля волны, но и для текущих — в любой момент времени.

Итак, из уравнений Максвелла следует, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света. В свое время этот вывод произвел огромное впечатление. Стало ясно, что не только электричество и магнетизм являются разными проявлениями одного и того же взаимодействия. Все световые явления, оптика, также стали предметом теории электромагнетизма. Различия в восприятии человеком электромагнитных волн связаны с их частотой или длиной волны.

Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот (и длин волн) электромагнитного излучения. Теория электромагнитных волн Максвелла позволяет установить, что в природе существуют электромагнитные волны различных длин, образованные различными вибраторами (источниками). В зависимости от способов получения электромагнитных волн их разделяют на несколько диапазонов частот (или длин волн).

На рис. 2.28 представлена шкала электромагнитных волн.

Рис. 2.28. Шкала электромагнитных волн

Видно, что диапазоны волн различных типов перекрывают друг друга. Следовательно, волны таких длин можно получить различными способами. Принципиальных различий между ними нет, поскольку все они являются электромагнитными волнами, порожденными колеблющимися заряженными частицами.

Уравнения Максвелла приводят также к выводу о поперечности электромагнитных волн в вакууме (и в изотропной среде): векторы напряженности электрического и магнитного полей ортогональны друг другу и направлению распространения волны.

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0560.html – Волновое уравнение. Материал из Физической Энциклопедии.

http://elementy.ru/trefil/24 – Уравнения Максвелла. Материал из «Элементов».

http://telecomclub.org/?q=node/1750 – Уравнения Максвелла и их физический смысл.

http://principact.ru/content/view/188/115/ – Кратко об уравнениях максвелла для электромагнитного поля.

Эффект Доплера для электромагнитных волн

Пусть в некоторой инерциальной системе отсчета К распространяется плоская электромагнитная волна. Фаза волны имеет вид:

Наблюдатель в другой инерциальной системе отсчета К’, движущейся относительно первой со скоростью V вдоль оси x, также наблюдает эту волну, но пользуется другими координатами и временем: t’, r’. Связь между системами отсчета дается преобразованиями Лоренца:

Подставим эти выражения в выражение для фазы , чтобы получить фазу волны в движущейся системе отсчета:

Это выражение можно записать как

где и — циклическая частота и волновой вектор относительно движущейся системы отсчета. Сравнивая с (2.110), находим преобразования Лоренца для частоты и волнового вектора:

Для электромагнитной волны в вакууме

Пусть направление распространения волны составляет в первой системе отсчета угол с осью х:

Тогда выражение для частоты волны в движущейся системе отсчета принимает вид:

Это и есть формула Доплера для электромагнитных волн.

Если , то наблюдатель удаляется от источника излучения и воспринимаемая им частота волны уменьшается:

Если , то наблюдатель приближается к источнику и частота излучения для него увеличивается:

При скоростях V 2 (солнечная постоянная). Найдем среднюю амплитуду колебаний E₀ вектора электрической напряженности в солнечном излучении. Вычислим амплитуды колебаний напряженности магнитного поля H₀ и вектора магнитной индукции B₀ в волне.

Ответ находим сразу из уравнений (3.127), где полагаем :

Электромагнитные волны поглощаются и отражаются телами, следовательно, они должны оказывать на тела давление. Рассмотрим плоскую электромагнитную волну, падающую нормально на плоскую проводящую поверхность. В этом случае электрическое поле волны возбуждает в теле ток, пропорциональный Е. Магнитное поле волны по закону Ампера будет действовать на ток с силой, направление которой совпадает с направлением распространения волны. В 1899 г. в исключительно тонких экспериментах П.И. Лебедев доказал существование светового давления. Можно показать, что волна, несущая энергию W, обладает и импульсом:

Пусть электромагнитная волна падает в вакууме по нормали на площадь А и полностью поглощается ею. Предположим, что за время площадка получила от волны энергию . Тогда переданный площадке импульс равен

На площадку действует со стороны волны сила

Давление Р, оказываемое волной, равно

Если средняя плотность энергии в волне равна , то на площадь А за время попадет энергия из объема и

Отсюда находим давление электромагнитной волны (света):

Если площадка идеально отражает всю падающую на нее энергию, то давление будет в два раза большим, что объясняется очень просто: одинаковый вклад в давление в этом случае дают как падающая, так и отраженная волны, в случае полностью поглощающей поверхности отраженной волны просто нет.

Пример 3. Найдем давление Р солнечного света на Землю. Используем значение солнечной постоянной из предыдущего примера. Искомое давление равно:

Пример 4. Найдем давление Р лазерного пучка на поглощающую мишень. Выходная мощность лазера N = 4.6 Вт, диаметр пучка d = 2.6 мм.

Электромагнитные волны

Дж. Максвелл доказал существование электромагнитных волн еще в 1864 после того, как решил применить их к изменяющимся во времени электромагнитным полям. Проанализировав все известные на тот момент законы электродинамики, увидел связь и асимметрию между электрическими и магнитными полями.

Понятие вихревого электрического поля

Максвеллом было введено понятие вихревого электрического поля, после чего он предложил иную формулировку закона электромагнитной индукции, которая была открыта в 1831 году Фарадеем:

Всякое изменение магнитного поля может стать причиной порождения в окружающем пространстве вихревого электрического поля с замкнутыми силовыми линиями.

Максвелл показал гипотезу, которая говорит совсем об обратном, а именно:

Электрическое поле, изменяющееся во времени, является причиной появления в окружающем пространстве магнитного поля.

Рисунки 2 . 6 . 1 и 2 . 6 . 2 показывают взаимное преобразование электрического и магнитного полей.

Рисунок 2 . 6 . 1 . Закон электромагнитной индукции по определению Максвелла.

Рисунок 2 . 6 . 2 . Гипотеза Максвелла об изменяющемся электрическом поле, порождающим магнитное поле.

Свойства уравнений Максвелла

Вначале данная гипотеза не имела экспериментального подтверждения, а выступала как теоретическое предположение. Основываясь на ней, Максвеллу смог зафиксировать непротиворечивую систему уравнений, которые описывали взаимные превращения электрического и магнитного полей. Данная запись называлась системой уравнений электромагнитного поля, иначе говоря, уравнениями Максвелла. Исходя из теории, используются выводы:

1. Электромагнитные волны существуют. Они могут распространяться как в пространстве, так и во времени электромагнитного поля. Электромагнитные полны поперечные, а векторы E → и
   B → располагаются перпендикулярно друг другу в одной плоскости, которая перпендикулярна относительно направления распространения волны. Это отчетливо видно на приведенном ниже изображении.

Рисунок 2 . 6 . 3 . Снусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна, где заданные векторы
E → , B → и v → перпендикулярны друг к другу.

1. Распространение электромагнитных волн имеет конечную скорость, которая обозначается

v = 1 ε · ε 0 · μ · μ 0 .

По формуле ε и μ являются диэлектрической и магнитной проницаемостью веществ, а ε 0 и μ 0 – электрической и магнитной постоянными, имеющими значения ε 0 = 8 , 85419 · 10 – 12 Ф / м , μ 0 = 1 , 25664 · 10 – 6 Г н / м .

Длина синусоидальной волны λ связана со скоростью распространения волны υ при помощи соотношения λ = υ T = υ f где f – это значение частоты колебаний электромагнитного поля, причем T = 1 f .

Запись скорости распространения волн в вакууме ( ε = μ = 1 ) записывается как

c = 1 ε 0 · μ 0 = 2 , 99792458 · 10 8 м / с ≈ 3 · 10 8 м / с .

Скорость распространения волны в вакууме с – это фундаментальная физическая постоянная.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения волн противоречил теории дальнодействия, известной на тот момент. Тогда принятие скорости распространения электрического и магнитного полей обозначали как бесконечно большое значение. Отсюда и вывод, что теория Максвелла получила название теория близкодействия.

1. Преобразование электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Одновременность процессов говорит о том, что их можно считать равноправными. Отсюда имеется вывод, что объемные плотности электрической и магнитной энергии равны и записываются w э = w м _. Формула может быть записана как

ε · ε 0 · E 2 2 = B 2 2 μ · μ 0 .

Делаем вывод, что имеется связь между модулями индукции магнитного поля B → и напряженности E → , обозначаемая отношением:

1. Возможность перенесения энергии при помощи электромагнитных волн. Во время распространения волны появляется поток электромагнитной энергии. При выделении площадки S , изображенной на рисунке 2 . 6 . 3 . , видно, что она ориентирована перпендикулярно направлению распространения волны. Тогда достаточно прохождению времени Δ t для того, чтобы энергия Δ W э м смогла пройти через заданную площадку, зафиксированной формулой

Δ W э м = ( w э + w м ) υ S Δ t .

Плотность потока или интенсивность I – это электромагнитная энергия, переносимая волной за определенное количество времени через поверхность единичной площади. Формула имеет вид:

I = ε ε 0 μ μ 0 · E 2 = E B μ μ 0 .

При подстановке выражения для преобразования w э , w м и υ , получаем, что:

I = 1 S ∆ W э м ∆ t · E 2 = E B μ μ 0 .

Справедливо обозначение потока энергии в электромагнитной волне при помощи вектора
I → направление которого является совпадающим с направлением распространения волны, причем модуль имеет значение E B μ μ 0 .

Полученный вектор был назван вектором Пойтинга.

Синусоидальная (гармоническая) волна, находящаяся в вакууме, со средним значением плотности потока электромагнитной энергии I с р обозначается как:

I с р = 1 2 ε 0 μ 0 E 0 2 ,

Где E 0 обозначается амплитуда колебаний напряженности.

Обозначение плотности потока энергии с С И — ватты на квадратный метр, то есть В т / м 2 .

1. Основываясь на теорию Максвелла, получаем, что оказание давления на поглощающее или отражающее тело производится с помощью электромагнитных волн. Это давление обусловлено возникновением слабых токов под действием электрического поля, иначе говоря, упорядочением движения зараженных частиц. На них действует сила Ампера магнитного поля волны, которая направлена в толщу вещества. Именно она является причиной создания результирующего давления, которое чаще всего имеет маленькое значение. При давлении солнечного излучения, попадающего на Землю, имеет 5 м к П а . Последователь Максвелла П.Н. Лебедев смог подтвердить теорию в 1900 году. Эти опыты были высоко значимы для электромагнитной теории Максвелла.

Имеющееся давление электромагнитных волн говорит о том, что для такого электромагнитного поля существует механический импульс, который может быть представлен в виде выражения:

g = w э м c с w э м _, обозначаемое в качестве объемной плотности электромагнитной энергии, с – скоростью распространения волн в вакууме. Электромагнитный импульс способствует введению понятия электромагнитной массы.

Для поля единичного объема запишем ρ э м = g c = w э м c 2 .

Тогда получим, что w э м = ρ э м c 2 .

Соотношение между массой и энергией считается как универсальный закон природы. Исходя из теории относительности, данное утверждение справедливо для любых тел.

Отсюда следует, что электромагнитное поле имеет все признаки, присущие материальным телам: энергия, конечная скорость распространения, импульс, масса.

То есть электромагнитное поле – это одна из форм существования материи.

1. Первым экспериментальным подтверждением теории Максвелла было произведено по прошествии 15 лет после ее создания в опытах Г. Герца в 1888 году. Герц стал изучать их свойства волн: поглощение, преломление, отражение и так далее. После чего он смог измерить длину волны, находящуюся в разных средах распространения электромагнитных волн, которые равнялись скорости света.

Опыты Герца были основополагающими для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. По прошествии 7 лет она была применена в беспроводной связи, изобретенной А.С. Поповым в 1895 году.

1. Возбуждение электромагнитных волн происходит с помощью ускоренно движущихся зарядов. Движение цепей постоянного тока имеют неизменную скорость носителей заряда, причем не являются источником таких волн. Современная радиотехника трактует изучение электромагнитных волн как наличие антенн различных конструкций с возбужденными быстропеременными токами.

Простейшая система, излучающая электромагнитные волны, считается сравнительно небольшим электрическим диполем, дипольный момент p ( t ) которого изменяется достаточно быстро с течением времени.

Элементарный диполь получил название диполя Герца. Радиотехника трактует его как эквивалентным небольшой антенне, размер которой меньше длины волны λ , показанной на рисунке 2 . 6 . 4 .

Рисунок 2 . 6 . 4 . Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания.

Рисунок 2 . 6 . 5 позволяет понять структуру электромагнитной волны, которая излучается таким диполем.

Рисунок 2 . 6 . 5 . Излучение элементарного диполя.

Максимальное значение потока электромагнитной энергии может излучаться в плоскости, которая располагается перпендикулярно оси диполя. Вдоль оси диполь не излучает энергию. Использование Герцем элементарного диполя было необходимо для излучающей и приемной антенн во время экспериментального доказательства существования электромагнитных волн.

Электромагнитная волна. Уравнение электромагнитной волны. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе

Страницы работы

Содержание работы

Распространяющееся электромагнитное поле, в котором напряженности электрического и магнитного полей изменяются по какому-нибудь периодическому закону, называют электромагнитной волной. Очевидно, источником электромагнитной волны может быть любой электрический колебательный контур или даже любой проводник, по которому течет переменный ток. Скорость распространения электромагнитных волн постоянна для данной (однородной и изотопной) среды и равна скорости света (в вакууме с = 3 × 10 8 м/сек).

Электромагнитное поле графически изображается совокупностью электрических и магнитных силовых линий.

Уравнение электромагнитной волны.

Составим уравнение для наиболее простого случая — плоской электромагнитной волны, распространяющейся вдоль некоторого направления ОХ, в которой векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н поля сохраняют постоянные направления в пространстве (такая волна называется плоскополяризованной). Направим эти векторы вдоль координатных осей: Е вдоль ОZ ; Н вдоль ОУ.

Предположим, что в начальный момент времени (t = 0) в исходной точке пространства (х = 0) создано переменное электрическое поле Е, которое индуктирует магнитное поле Н. Через промежуток времени dt в соседней точке на расстоянии dx напряженности полей будут Е+dE и H+dH соответственно. При этом приращение электрического поля dE обусловлено скоростью изменения магнитного поля, а приращение магнитного поля dH — скоростью изменения электрического поля (эти скорости зависят от свойств среды, что в СИ учитывается с помощью абсолютных проницаемостей и ).

Опуская подробности, такая связь между скоростями изменения напряженностей Е и Н по времени и расстоянию может быть выражена, путем приравнивания частных производных от напряженностей Е и Н по расстоянию х и времени t:

Эти уравнения называются уравнениями Максвелла для плоской электромагнитной волны. Решение этих уравнений и составит искомое уравнение волны. Мы с вами рассматривали аналогичные уравнения в курсе механики. Поэтому подробное решение приводить не будем. Получим:

или

где .

Решениями этих уравнений являются гармонические (синусоидальные) функции.

где Е и Н — мгновенные, а Еm и Hm — максимальные значения напряжен-ностей, w — круговая частота колебаний векторов Е и Н, V — скорость распространения волны в направлении ОХ:

где = 3 × 10 м/сек — скорость электромагнитной волны в вакууме.

Из уравнений следует, что в электромагнитной волне (в вакууме и изотопной среде) векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (то есть электромагнитная волна — поперечная), колебания этих векторов происходят в фазе и их величины связаны соотношением:

Объемная плотность энергии электромагнитного поля.

Энергия электромагнитного поля складывается их энергии электрического поля и энергии магнитного поля. Мгновенное значение объемной плотности энергии электромагнитного поля равно

w_ЭМ = w_Е + w_Н =

Учитывая, что , получим

w_ЭМ

w_ЭМ =

где Е и Н — мгновенные значения напряженностей полей.

Плотность потока энергии волны I можно получить, умножим объемную плотность энергии поля на скорость волны :

I = w_ЭМ u =

В системе СГС

Плотность потока энергии — это вектор, совпадающий с направлением распространения волны. В данном случае он называется вектором Умова-Пойнтинга.

Шкала электромагнитных волн.

По современным представлениям, свет имеет двойственные корпускулярно-волновые свойства.

Волновые свойства света проявляются преимущественно в явлениях, связанных с его распространением (интерференция, дифракция, отражение, преломление и др.). Поэтому при изучении этих явлений используется главным образом волновая теория, хотя она и не учитывает прерывности световой волны.

Корпускулярные свойства проявляются преимущественно при взаимодействии света с веществом (фотоэффект и др.), которое и рассматривается главным образом с точки зрения фотонной теории.

Основной характеристикой световых волн является частота колебаний n (частота колебаний векторов напряженности Е и Н электромагнитного поля). В волновой теории чаще используется связанная с ней длина волны в вакууме: , где с — скорость света в вакууме. Частота колебаний (длина волны в вакууме) влияет на свойства излучения и в определенных интервалах частот излучение приобретает особые качества. Например, электромагнитное излучение в определенном диапазоне частот действует на глаз, а в другом диапазоне (рентгеновские лучи) проникает в глубь веществ, непроницаемых для остального электромагнитного излучения и т.п.

В соответствии с условиями возбуждения и свойствами излучения электромагнитные волны делятся по частоте (или длине волны) на 6 диапазонов: радиоволны (длинные, средние, короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские волны и g — лучи, шкала приведена по мере возрастания частот, то есть убывания длин волн.

Излучение радиоволн обусловлено переменным токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Излучение инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых волн исходит из атомов, молекул и быстро заряженных частиц (микроизлучатели). Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, g -лучи имеют ядерное происхождение.