Тема 11. Электромагнитные волны Образование свободной

Тема 11. Электромагнитные волны
1. Образование свободной электромагнитной волны.
2. Экспериментальное исследование электромагнитных
волн.
3. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова Пойнтинга.
1.
Предположим, что в некоторой точке О бесконечной непроводящей
среды возникает электрическое поле E . Так как в среде электрических
зарядов, поддерживающих это поле нет, то оно будет исчезать. Но
убывающее поле E , согласно теории Максвелла, вызывает появление
магнитного поля H . Но в среде нет постоянных токов, поддерживающих это
поле, и оно будет исчезать, и вызывать появление электрического поля E1 .
Электрическое поле E1 уничтожит поле в точке О, но проявится в соседней
точке 1. Исчезая в точке 1 электрическое поле E1 , вызовет появление
магнитного поля H 1 , которое будет направлено, так же как и поле H .
Поэтому оно уничтожит поле H в точке 1, но проявится в более удаленной
точке 2. Исчезая, оно вызовет появление поля E 2 , которое уничтожит поле в
точке 2, но проявится в более удаленной точке 3 и т.д. Таким образом,
вместо
первоначального
поля
E
мы
получили
взаимосвязанные
электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве, т.е.
электромагнитную
волну.
При
этом
вектора
E и H
взаимно
перпендикулярны и перпендикулярны скорости распространения волны v .
Векторы E, H и v образуют право винтовую систему .
Отсюда следует, что электрическое и магнитное поле распространяются
в пространстве в виде электромагнитной волны. Скорость распространения
волны в вакууме    1,   1
c
1
м
 3  108 ,
с
0  0
а в среде
v
1
1
c
.


 00

(1)
Можно показать, что в распространяющейся электромагнитной волне
векторы E и H пропорциональны друг другу, т.е.
0  E  0  H .
(2)
Из уравнения (2) следует, векторы E и H одновременно достигают
максимума и одновременно обращаются в нуль, т.е. колеблются в
одинаковой фазе .
2.
Свободные электромагнитные волны были впервые получены на опыте
Герцем в 1888 году.
Колебательный контур состоящий из индуктивности L и конденсатора
С, не годится для получения электромагнитных волн, так как электрическое
поле сосредоточено между пластинами конденсатора, а магнитное поле –
внутри катушки. В пространстве, окружающем конденсатор и катушку полей
практически нет, поэтому заметного излучения электромагнитных волн не
происходит. Чтобы излучение играло заметную роль, нужно сделать области,
в которых возникают поля, менее обособленными от окружающего
пространства. Этого можно достигнуть, увеличивая расстояние между
обкладками конденсатора и витками катушки. В пределе мы приходим к
вибратору Герца, представляющим собой прямолинейный проводник,
разделенный искровым промежутком.
Для возбуждения колебаний вибратор Герца подключается к индуктору
(источнику
высокого
напряжения).
Когда
напряжение
на
искровом
промежутке достигало пробойного значения, возникала искра, которая и
замыкала цепь. В результате возникали свободные колебания, которые
продолжались до тех пор, пока искра не гасла.
Для приема электромагнитных волн Герц использовал второй такой же
вибратор, т.е. электрический резонанс.
На опытах Герц наблюдал отражение, преломление и поляризацию
электромагнитных
волн
и
определил
скорость
распространения
электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.
3.
Возможность экспериментального обнаружения электромагнитных волн
указывает на то, что эти волны переносят энергию. Ранее мы показали, что
перенос энергии волной можно характеризовать вектором плотности потока
энергии. Он определяется количеством энергии, переносимой волной в
единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к
направлению, в котором переносится энергия. Плотность потока энергии
определяется произведением объемной плотности энергии волны на скорость
распространения волны.
Объемная плотность энергии в электромагнитной волне определяется
как сумма объемной плотности энергии электрического и магнитного полей:
w  we  wm 
0 E 2 0 H 2

.
2
2
(3)
Учитывая выражение 10.7, получим, что объемная плотность энергии
электромагнитной волны
w  0  0  E  H .
(4)
Умножив 10.9, на скорость распространения электромагнитной волны
получим, что плотность потока энергии электромагнитной волны
S EH.
(5)
Так как векторы E и H взаимно перпендикулярны и образуют с
направление скорости правовинтовую систему, то направление вектора
 EH 
 
совпадает с направлением скорости электромагнитной волны.
Следовательно, вектор плотности потока энергии электромагнитной волны
S   EH  .
(6)
Вектор S называется вектором Умова – Пойнтинга.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны, падающие
на некоторую поверхность, должны оказывать на нее давление. В 1900 году
П.Н. Лебедев на опыте доказал существование этого давления на твердые
тела, а в 1910 году и на газы.
Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о
том, что электромагнитному излучению присущ определенный импульс,
определяемый выражением
p
W
,
c
где W – энергия электромагнитной волны.
(7)