4.5. Электромагнитные волны

Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве. В зависимости от природы волны колебания совершают различные физические величины. Например, в случае звуковых волн распространяются деформации в какой-то среде.

Проще всего представить себе морские волны. Длиной волны () называется расстояние между соседними гребнями (в случае звуковой волны – расстояние между ближайшими точками с максимальными плотностью или давлением). Эквивалентное определение: длина волны – это расстояние, которое волна проходит за время, равное периоду колебаний . В однородных средах волны распространяются с постоянной скоростью. Поэтому, исходя из определения длины волны, можно записать: . Учитывая связь периода и частоты , получаем формулу, связывающую длину волны, скорость волны и частоту колебаний в волне любой природы:

. (4.32)

Например, если за одну минуту (60 с) на берег приходит 10 волн, а расстояние между гребнями м, то частота (Гц), а скорость волн (м/с).

Примером электромагнитной волны является свет. Она представляет собой распространение в пространстве электрических и магнитных полей. Существование электромагнитных волн впервые теоретически предсказал Максвелл. Этот факт следует из его уравнений (см. п. 3.19). Изменяющееся (переменное) электрическое поле вызывает появление в окружающем пространстве изменяющегося магнитного поля. В свою очередь изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле и т. д. Таким образом, переменные электрическое и магнитное поля образуют электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве. Так как существование электромагнитных волн никоим образом не связано со средой, они, в отличие от звуковых волн, могут распространяться в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме или скорость света м/с. Ни один материальный объект в инерциальной системе отсчета не может иметь скорость большую, чем скорость света.

Электромагнитная волна является поперечной волной, т.е. колебания векторов напряженности электрического поля () и магнитного поля () происходят перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 4.12). При этом .

Конечно, когда мы смотрим на луч света, невозможно догадаться, что свет – волна, и тем более, электромагнитная волна. Огибающую векторов напряженностей полей мы не видим, и не можем «на глаз», как в случае морских волн, оценить длину волны. Экспериментальным доказательством волновой природы света являются опыты по интерференции и дифракции света, которые изучают в разделе «Оптика». А простейшим прибором для определения длины волны света является дифракционная решётка.

Итак, при распро­странении электромагнитной волны в каждой точке, через которую проходит волна, колебания совершают напря­женности электрического и магнитного полей. Если коле­бания электрического вектора происходят все время параллельно какому-то одному направлению, то волна называется линейно поляри­зован­ной.

.

Поскольку , а (см.

(4.33)

Уравнение (4.33) называется уравнением линейно поляризованной волны или, сокращенно, уравнением плоской волны.

Из уравнения (4.33) следует, что плоская волна представляет собой периодический процесс, как во времени, так и в пространстве. Если рассматривать какую-то фиксированную точку с координатой z₀, то слагаемое становится постоянным, и уравнение (4.33) для данной точки пространства

,

где - постоянная, играющая роль начальной фазы колебаний. Последнее уравнение показывает, что в любой фиксированной точке оси z₀ происходит периодический во времени процесс колебаний вектора напряженности электрического поля. Если зафиксировать какой-то момент времени , т.е. «заморозить волну» - «остановить» колебания векторов , тогда уравнение (4.33) можно записать так

.

В данном случае . Последнее уравнение указывает на пространственную периодичность плоской волны: огибающая всех векторов в любой фиксированный момент времени представляют собой синусоиду. Именно в виде синусоиды волны и показывают на рисунках (см., например рис. 4.12).

Пространственную и временную периодичность волн просто понять, рассматривая морские волны. Линия, огибающая поверхность моря в любой момент похожа на синусоиду – это пространственная периодичность. Если на море плавает чайка, то она движется вверх-вниз – это периодичность во времени.