Электромагнитная волна, условие и схема ее возникновения.

Уравнение плоской волны

где — смещение точек среды с координатой x в момент времени t; А — амплитуда волны; ω — циклическая (круговая) частота; — фазовая скорость; — начальная фаза колебаний; - волновое число; T – период колебаний.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одной фазе, называется волновой поверхностью. Волновая поверхность, отделяющая часть пространства, в которой колебания происходят, от той части, где еще нет колебаний, называется фронтом волны. Именно фронт волны перемещается со скоростью равной фазовой скорости волны.

Плоские волны - волны, для которых волновые поверхности — совокупность параллельных плоскостей,перпендикулярных направлению распространения волны. Лучи в данном случае — параллельные прямые, совпадающие с направлением скорости распространения волны.

 

Сферические волны - волны, для которых волновые поверхности — совокупность концентрических сфер. Лучи в данном случае направлены вдоль радиусов сфер от центра, где расположен источник волны.

Луч - линия, касательная к которой в каждой точке

совпадает с направлением распространения волны.

3.3. Энергетические характеристики волн:

Объемная плотность энергии волны в упругой среде (w), определяется следующим образом:

где - полная механическая энергия волны в объеме . Из (8.11) следует, что объемная плотность энергии плоских синусоидальных волн

Итак, область пространства, участвующая в волновом процессе, обладает дополнительным запасом энергии. Эта энергия доставляется от источника колебаний в различные точки среды самой волны, следовательно, волна переносит энерг ию.

Поток энергии - количественная характеристика перенесенной энергии, определяемая энергией, переносимой волнами через некоторую поверхность в единицу времени.

Плотность потока энергии волны. Определяется потоком энергии, переносимой волной через еди­ничную площадку, расположенную перпендикулярно направле­нию распространения волны.

,

где — скорость волны; — объемная плотность энергии колебательного движения.

Интенси́вность — скалярная физическая величина, количественно характеризующая мощность, переносимую волной в направлении распространения.

где — период волны, — мощность, переносимая волной через площадку .

В веществе

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м, μ₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением

где f – частота колебаний электромагнитного поля,

Для электромагнитных волн в вакууме скорость в этой формуле равна скорости света (299 792 458 м/с), и длина волны . Если значение подставить в герцах, то размерность получаемого значения — метр.

Длина электромагнитной волны в среде короче, чем в вакууме:

где — показатель преломления среды; ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды; μ — относительная магнитная проницаемость среды. Величины n, μ и ε могут существенно зависеть от частоты

Показатель преломления
Физический смысл относительного показателя преломления (иначе показателя преломления второй среды относительно первой):
он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.

Кроме того, каждая среда, через которую проходит луч света, характеризуется абсолютным показателем преломления:

Абсолютный показатель преломления - это показатель преломления среды относительно вакуума.
Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.
Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.

Свойства

1. Проходит через некото­рые непрозрачные тела, а так­же сквозь дождь, дымку, снег.

2. Производит химическое действие на фотопластинки.

3. Поглощаясь веществом, нагревает его.

4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.

5. Невидимо.

Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.

Применение. Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.

Видимое излучение

Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового):

Свойства. В оздействует на глаз.

Ультрафиолетовое излучение

(меньше, чем у фиолетового света)

Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы).

Излучается всеми твердыми телами, у которых T>1000°С, а также светящимися парами ртути.

Свойства. Высокая химическая активность (разложение хлорида сереб­ра, свечение кристаллов сульфида цинка), невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в неболь­ших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздей­ствие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.

Рентгеновские лучи

Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р= 10^-3-10^-5 Па) ускоряются электриче­ским полем при высоком напряжении, достигая анода, при со­ударении резко тормозятся. При торможении электроны движут­ся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 им). Свойства Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облуче­ние в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение. В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов).

γ-излучение

Источники: атомное ядро (ядерные реакции). Свойства. Имеет огромную проникающую способность, оказывает силь­ное биологическое воздействие. Применение. В медицине, производстве (γ -дефектоскопия). Применение. В медицине, в промышленности.

Общим свойством электромагнитных волн является также то, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свой­ства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко - при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко — при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства.

Белый свет

Красный свет

По середине(интерференционные полосы)

справа(интерференционная картина)

 

Уравнение плоской волны

где — смещение точек среды с координатой x в момент времени t; А — амплитуда волны; ω — циклическая (круговая) частота; — фазовая скорость; — начальная фаза колебаний; - волновое число; T – период колебаний.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одной фазе, называется волновой поверхностью. Волновая поверхность, отделяющая часть пространства, в которой колебания происходят, от той части, где еще нет колебаний, называется фронтом волны. Именно фронт волны перемещается со скоростью равной фазовой скорости волны.

Плоские волны - волны, для которых волновые поверхности — совокупность параллельных плоскостей,перпендикулярных направлению распространения волны. Лучи в данном случае — параллельные прямые, совпадающие с направлением скорости распространения волны.

 

Сферические волны - волны, для которых волновые поверхности — совокупность концентрических сфер. Лучи в данном случае направлены вдоль радиусов сфер от центра, где расположен источник волны.

Луч - линия, касательная к которой в каждой точке

совпадает с направлением распространения волны.

3.3. Энергетические характеристики волн:

Объемная плотность энергии волны в упругой среде (w), определяется следующим образом:

где - полная механическая энергия волны в объеме . Из (8.11) следует, что объемная плотность энергии плоских синусоидальных волн

Итак, область пространства, участвующая в волновом процессе, обладает дополнительным запасом энергии. Эта энергия доставляется от источника колебаний в различные точки среды самой волны, следовательно, волна переносит энерг ию.

Поток энергии - количественная характеристика перенесенной энергии, определяемая энергией, переносимой волнами через некоторую поверхность в единицу времени.

Плотность потока энергии волны. Определяется потоком энергии, переносимой волной через еди­ничную площадку, расположенную перпендикулярно направле­нию распространения волны.

,

где — скорость волны; — объемная плотность энергии колебательного движения.

Интенси́вность — скалярная физическая величина, количественно характеризующая мощность, переносимую волной в направлении распространения.

где — период волны, — мощность, переносимая волной через площадку .

Электромагнитная волна, условие и схема ее возникновения.

Электромагни́тные во́лны — электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с

Дляобразования электромагнитных волн необходимо создать в пространстве достаточно быстро изменяющееся электрическое поле (ток смещения) или соответственно быстро изменяющееся магнитное поле. Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, состоящий из двух стержней, разделенных искровым промежутком (вибратор Герца). При определенной разности потенциалов в промежутке между ними возникала искра – высокочастотный разряд, возбуждались колебания тока и излучалась электромагнитная волна. Для приема волн Герц применил резонатор – прямоугольный контур с промежутком, на концах которого укреплены небольшие медные шарики

Групповая скорость(это величина, характеризующая скорость распространения «группы волн») распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость(скорость перемещения фазы волны) электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.

В веществе

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м, μ₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением

где f – частота колебаний электромагнитного поля,

Для электромагнитных волн в вакууме скорость в этой формуле равна скорости света (299 792 458 м/с), и длина волны . Если значение подставить в герцах, то размерность получаемого значения — метр.

Длина электромагнитной волны в среде короче, чем в вакууме:

где — показатель преломления среды; ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды; μ — относительная магнитная проницаемость среды. Величины n, μ и ε могут существенно зависеть от частоты

Показатель преломления
Физический смысл относительного показателя преломления (иначе показателя преломления второй среды относительно первой):
он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.

Кроме того, каждая среда, через которую проходит луч света, характеризуется абсолютным показателем преломления:

Абсолютный показатель преломления - это показатель преломления среды относительно вакуума.
Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.
Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.