ЛЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
1. Уравнения электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн.
2. Энергетические характеристики электромагнитной волны.
3. Шкала электромагнитных волн.
4. Влияние электромагнитных волн различных диапазонов на человека.
5. Основные понятия и формулы.
Переменные электрические и магнитные поля не могут существовать независимо друг от друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно не возникло и переменное электрическое поле, и наоборот.
Электромагнитное поле представляет собой взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (В) полей. Распространение единого электромагнитного поля в пространстве осуществляется посредством электромагнитных волн.
Уравнения электромагнитной волны.
Свойства электромагнитных волн
Электромагнитная волна - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве и переносящие энергию.
Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла (которые в данном курсе не рассматриваются). Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды и токи, то изменение их со временем приводит к излучению электромагнитных волн. Описание их распространения аналогично описанию механических волн.
Если среда однородна и волна распространяется вдоль оси Х со скоростью v, то электрическая (Е) и магнитная (В) составляющие
поля в каждой точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой круговой частотой (ω) и в одинаковой фазе (уравнение плоской волны):
где х - координата точки, а t - время.
Векторы В и Е взаимно перпендикулярны, и каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны (ось Х). Поэтому электромагнитные волны являются поперечными (рис. 16.1).
Рис. 16.1. Взаимное расположение векторов Е, В в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль оси Х
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости распространения света (это послужило основанием для создания Максвеллом электромагнитной теории света).
Учитывая, что абсолютный показатель преломления среды равен n = c/v, можно установить связь между η, ε, μ:
Свойства электромагнитных волн:
• поперечные;
• скорость распространения в вакууме не зависит от частоты;
• частичное поглощение волн диэлектриком;
• практически полное отражение волн от металлов;
• преломление волн на границе диэлектриков;
• интерференция, дифракция волн.
Энергетические характеристики электромагнитной волны
Энергетические характеристики электромагнитных волн по своему смыслу совпадают с энергетическими характеристиками механических волн (раздел 2.4).
Среда, в которой распространяется волна, обладает электромагнитной энергией, складывающейся из энергий электрического и магнитного полей.
Объемная плотность энергии электромагнитного поля (w) - суммарная энергия электрического и магнитного полей в единице объема среды:
Распространение электромагнитных волн, как и распространение механических волн, сопровождается переносом энергии.
Поток энергии (Ф) - величина, равная энергии, переносимой электромагнитной волной через данную поверхность за единицу времени:
На границе атмосферы Земли среднегодовое значение I солнечного света составляет 1,370 кВт/м2 (солнечная постоянная). Эта интенсивность обеспечивает все процессы, которые протекают за счет солнечной энергии.