Свойства электромагнитной волны

Частота - количество оборотов биона в единицу времени.
Скорость света - скорость передачи вращений от одного биона к другому.
Фаза - расположение одного из полюсов биона относительно линии распространения электромагнитной волны.

Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

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 λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w_э = w_м.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для w_э, w_м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ₀. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I_ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где w_эм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Отсюда следует:

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ

КОГЕРЕНТНОСТЬ

Важным свойством двух одновременно протекающих волновых процессов является их когерентность.

По определению когерентностью двух волновых процессов называется их согласованное протекание. В соответствии с этим определением две монохроматические волны одной частоты всегда будут когерентными. Другой пример когерентных волн представлен на рис. 4.4, изображающем две волны от одного источника монохроматических колебаний, одна из которых от источника распространяется в точку наблюдения по прямому пути, а вторая после отражения от границы раздела. Согласованность колебаний двух волн в точке наблюдения обусловлена тем, что они излучаются одним источником. Если поместить на пути распространения этих волн экран, то на нём, при определённых условиях о которых будет сказано ниже, будет можно наблюдать интерференционную картину, которая будет представлять собой чередование тёмных и светлых полос.

Рис. 4.4.

Итак, согласованность протекания двух волновых процессов связывается с возможностью наблюдать их интерференционную картину волн, излучаемых их источниками. С другой стороны, как мы установили выше, при наблюдении интерференции в каждой точке экрана, с помощью которого она наблюдается, разность фаз должна иметь определённое значение и не меняться со временем. Предположим, что разность фаз колебаний интерферирующих источников волн меняется со временем. Для определённости будем полагать, что она увеличивается пропорционально времени. Тогда в точке экрана, где в какой то момент времени наблюдался интерференционный максимум, со времен разность фаз изменит своё значение за некоторый промежуток времени и в этой точке окажется выполненным условие минимума интерференционной картины. В результате зависимости разности фаз колебаний интерферирующих источников от времени их интерференционная картина будет меняться во времени, т. е. не будет стабильной. Это может затруднить наблюдение интерференции волн источников, а в ряде случаев наблюдение интерференции вообще может стать невозможным.

Таким образом, два волновых процесса называются когерентными, если средняя разность их полных фаз в точке наблюдения с координатами не зависит от времени наблюдения :

,

(4.12)

где - соответственно полные фазы первой и второй волны; черта над разностью фаз означает её среднее значение по времени, для определения которой может быть использована формула (1.31).

В соответствии с этим определением две монохроматические электромагнитные волны являются когерентными. Действительно, рассмотрим для простоты две плоские одинаково поляризованные монохроматические электромагнитные волны одой частоты , распространяющиеся вдоль оси выбранной системы координат с колебаниями вдоль оси векторов напряжённости электрического поля и , описываемых следующими выражениями:

Рис. 4.5.

,

где - амплитуды волн; - их начальные фазы; - волновое число; - длина волны.

В соответствии с этим выражением, используя (4.12), найдём полные фазы волн:

.

Определяя разность полных фаз, получим :

,

убеждаемся, что она не зависит от времени. Следовательно, в соответствии с определением когерентности (4.12) рассматриваемые две плоские монохроматические волны одной частоты являются когерентными.