Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля

Возможность обнаружения электромагнитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность энергии электромагнитной волны складывается из объемных плотностей электрического и магнитного полей:

. (24.9)

Учитывая выражение (24.4), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент времени одинакова т.е. . Поэтому

. (24.10)

Умножив плотность энергии на скорость u распространения волны в среде (см. (24.3)), получим модуль плотности потока энергии:

. (24.11)

Так как векторы и взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга:

. (24.12)

Вектор направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.

Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами (эти явления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромагнитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны, заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны действию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излучения, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности составляет примерно 5 мкПа. В исключительно тонких экспериментах, ставших классическими, П. Н. Лебедев в 1899 г. доказал существование светового давления на твердые тела, а в 1910 г.— на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля

, (24.13)

где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р = тс (поле в ва­кууме распространяется со скоростью с),получим p = mc=W/c, откуда

(24.14)

свободного электромагнитного поля является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, выражение (24.14) имеет общее значение и справедливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.