Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн.

Идеи теории Максвелла

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые области пространства.

Вывод:

Существует особая форма материи – электромагнитное поле – которое состоит из порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей.

Электромагнитное поле характеризуется двумя векторными величинами – напряженностью Е вихревого электрического поля и индукцией В магнитного поля.

Процесс распространения изменяющихся вихревых электрического и магнитного полей в пространстве называется электромагнитной волной.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла)

Свойства электромагнитных волн

 

1. Электромагнитные волны поперечны, то есть колебания векторов Е и В происходят в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

 

 

2. В любой момент времени три вектора E, B, V взаимно перпендикулярны друг другу.

3. При распространении электромагнитной волны нет возмущающейся среды.

4. Скорость распространения электромагнитных волн имеет конечное значение. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна

с=3*10⁸ м/с.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме c является одной из фундаментальных физических постоянных. Не путать с секундой!

В другой среде (не в вакууме) скорость распространения ЭМВ меньше с.

5. Связь между скоростью распространения ЭМВ и длиной ее волны:

λ = VT = V/ ν для среды

λ = cT λ = c/ ν для вакуума

6. Энергия электромагнитной волны пропорциональна четвертой степени частоты

W~ ν⁴

7.Свет является электромагнитной волной определенного диапазона длин волн.

λ = 400 – 800 нм.

Условие возникновения электромагнитной волны – ускоренное движение заряженных частиц. В цепях постоянного тока ЭМВ не возникают.

Условие хорошего распространения ЭМВ – высокая частота колебаний (высокая энергия волны)

Шкала электромаг­нитных волн это непрерывная после­довательность частот (длин волн) электромагнитных излучений. Разбиение шкалы ЭМВ на диапазоны весьма условное.

 

 

 

Известные электромагнитные волны охватывают огромный диапазон длин волн от 10⁴ до 10^-10 м. По способу получения можно выделить следующие области длин волн:

1. Низкочастотные волны более 100 км (10⁵ м). Источник излучения - генераторы переменного тока

2. Радиоволны от 10⁵ м до 1 мм. Источник излучения - открытый колебательный контур (антенна) Выделяются области радиоволн:

ДВ длинные волны - более 10³ м,

СВ средние - от 10³ до 100 м,

КВ короткие - от 100 м до 10 м,

УКВ ультракороткие - от 10 м до 1 мм;

3 Инфракрасное излучении (ИК) 10^–3-10^–6 м. Область ультракоротких радиоволн смыкается с участком инфракрасных лучей. Граница между ними условная и определяется способом их получения: ультракороткие радиоволны получают с помощью генераторов (радиотехнические методы), а инфракрасные лучи излучаются нагретыми телами в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.

4. Видимый свет 770-390 нм Источник излучения – электронные переходы в атомах. Порядок цветов в видимой части спектра, начиная с длинноволновой области КОЖЗГСФ. Излучаются в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.

5. Ультрафиолетовое излучение (УФ) от 400 нм до 1 нм. Ультрафиолетовые лучи получают с помощью тлеющего разряда, обычно в парах ртути. Излучаются в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.

6. Рентгеновские лучи от 1 нм до 0,01 нм. Излучаются в результате атомных переходов с одного внутреннего энергетического уровня на другой.

1. За рентгеновскими лучами идет область гамма-лучей (γ) с длинами волн менее 0,1 нм. Излучаются при ядерных реакциях.