4.5.3. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга

Поскольку электрическое и магнитное поля обладают энергией (см. формулы (1.33) и (3.31а)), ясно, что электромагнитные волны переносят энергию. Самый простой пример – нагревание поверхности, поглощающей солнечный свет.

От каких физических величин зависит энергия электромагнитных волн?

Часто перед тем, как делать серьёзные расчеты, физики-теоретики, составляя различные комбинации физических величин, пытаются заранее предсказать ответ на основе анализа размерностей этих комбинаций. Выясним размерность произведения напряженностей электрического и магнитного полей:

.

Получили размерность плотности потока энергии – энергии, протекающей через единичную площадь за единицу времени. Эта величина носит название вектора Умова-Пойнтинга. Естественно, в случае электромагнитной волны этот вектор направлен в сторону распространения волны, т.е. перпендикулярно векторам и .

Плотность потока энергии электромагнитной волны или вектор Умова-Пойнтинга определяется векторным произведением:

. (4.34)

Вектора , и образуют правую тройку векторов (рис.

Приведем пример. Рас­смотрим увеличенный отрезок провода с током (рис. 4.15). Поскольку по проводу течет ток, повсюду внутри провода существует электрическое поле, параллельное оси провода и направленное по току. Вокруг тока существует и магнитное поле, направление вектора напряженности которого опреде­ляется правилом правого винта (буравчика). Вектор перпендикулярен проводу (на рис. 4.15 перпендикулярен плоскости чертежа). Таким образом, вектор Умова-Пойнтинга внутри провода направлен строго к его оси. Причем на самой оси , поскольку там обращается в ноль вектор . Значит, поток энергии в пространстве вокруг провода направлен к его оси, уменьшаясь до нуля на расстоянии, равном радиусу провода. Но (по закону сохранения энергии) энергия не может исчезнуть бесследно. Действительно, внутри провода она превращается в тепло, т.е. провод при протекании через него тока нагревается.

То, что провод при протекании по нему тока нагревается – это не открытие. Однако, если раньше нагревание провода мы просто объясняли его сопротивлением, то неожиданным кажется тот факт, что энергия течет откуда-то извне, может показаться даже «из космоса». В действительности, конечно же, линии потока энергии, заканчиваясь на оси провода, берут своё начало от источника тока (батарейки).

Итак, электроэнергия, передаваемая при помощи проводов, течет от источника не вдоль оси внутри провода! Плотность потока энергии распределена во всем пространстве.