Электромагнитные волны (ЭМВ)

Электрическое поле, созданное неподвижными электрическими зарядами, с течением времени остается неизменным. Такое поле получило название потенциального электрического поля (электростатическое поле). Неизменным с течением времени остается и магнитное поле, образованное постоянным электрическим током. Эти поля существуют независимо друг от друга. Картина существенным образом изменяется, если электрическое поле создается электрическими зарядами, движущимися с ускорением. Согласно теории Максвелла, изменяющееся со временем электрическое поле создает изменяющееся со временем магнитное поле и наоборот, изменяющееся со временем магнитное поле, являющееся по самой своей природе вихревым, создает вихревое электрическое поле (силовые линии, т. е. линии напряженности такого электрического поля, являются замкнутыми) (рис. 29).

Рис. 29. Графическое представление взаимосвязи вихревых электрического и магнитного полей. - вектор напряженности электрического поля, - вектор индукции магнитного поля.

Согласно теории Максвелла, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т.е. вихревые электрическое и магнитное поле " сцеплены" и неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле – это и есть электромагнитная волна.

Источником ЭМВ может быть электрический колебательный контур, проводник с переменным током или любой ускоренно движущийся электрический заряд.

В направлении распространения ЭМВ можно представить с помощью двух синусоид, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 30). Одна из них изображает колебания вектора напряженности электрического поля , а другая – вектора индукции магнитного поля . Оба вектора колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно достигают максимальных и нулевых значений. Направление распространения электромагнитной волны (направление вектора скорости ) определяется правилом правого винта (буравчика). Рисунок хорошо иллюстрирует тот факт, что ЭМВ являются поперечными, поскольку колебания векторов и происходят в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны (ось OX).

Рис. 30. Графическое представление электромагнитной волны.

Теория Максвелла была блестяще подтверждена опытами Герца по распространению ЭМВ.

Свет – электромагнитная волна. Физиологическое действие на глаз оказывает вектор . Видимая область длин волн: (0, 38 ÷ 0, 760) мкм или (380 ÷ 760) нм. Наибольшая чувствительность глаза для = 550 мкм (зелёный свет). Опытным путем Ньютон установил, что солнечный (белый) свет имеет сложный состав. Опыт Ньютона состоял в том, что узкий пучок солнечного света он направил на боковую грань трехгранной призмы, а при выходе пучка из противоположной боковой грани наблюдались разноцветные лучи в следующей последовательности – красный (К), оранжевый (О), желтый (Ж), зеленый (З), голубой (Г), синий (С), фиолетовый (Ф): К аждый О хотник Ж елает З нать, Г де С идят Ф азаны: К О Ж З Г С Ф. Полученную им цветную полоску Ньютон назвал спектром (рис. 31).

Из проведенного опыта Ньютон пришел к выводу, что белый луч состоит из разноцветных лучей. Для доказательства этого предположения Ньютон с помощью линзы собрал разноцветные лучи и получил белое пятно (рис. 32).

Рис. 31. Разложение белого света в спектр

Рис. 32. Разложение и синтез белого света
с помощью призмы и собирающей линзы

Видимый диапазон и примыкающие к нему диапазоны ультрафиолетового и инфракрасного излучений в совокупности составляют диапазон ЭМВ, изучаемый в оптике. Скорость ЭМВ в вакууме

,

где

Абсолютным показателем преломления среды n называется физическая величина, определяемая отношением скорости света () в вакууме к фазовой скорости () света в среде

,

т.е. скорость света в среде связана с показателем преломления вещества:

В таблице 4 приведена шкала ЭМВ.

Таблица 4

Шкала ЭМВ

Вид излучения	Длина волны , м	Частота , Гц
Радио и ТВ	103– 10- 4	3·105– 3·1012
Инфракрасное излучение	5·10- 4 – 8·10- 7	6·1011– 3, 75·1014
Видимый свет	8·10- 7 – 4·10- 7	3, 75·1014 – 7, 5·1014
Ультрафиолетовое излучение	4·10- 7 – 10- 9	7, 5·1014 – 3·1017
Рентгеновское излучение	2·10- 9 – 6·10- 12	1, 5·1017 – 5·1019
Гамма-излучение	< 6·10- 12	> 5·1019

Опыт показывает, что скорость света в среде зависит от длины волны света ( - расстояние, которое световая волна проходит за период колебаний , т.е. ). Так, в видимом диапазоне длин волн скорость света минимальна для фиолетовых лучей ( _ф ≈ 400 нм)
и максимальна для красных ( _кр ≈ 760 нм), поэтому .

Практически относительный показатель преломления можно вычислить, исходя из закона преломления света, взяв отношение синусов угла падения и преломления света на границе двух прозрачных сред:

.