ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Биофизики, информатики и медицинской аппаратуры
Методическая разработка
Для студентов 1 курса
Практического занятия
По теме: «Электромагнитные колебания и волны».
Утверждено
На методическом совещании кафедры
«___» _________________ 200__ г.
Протокол № _________
Зав.кафедрой,
д.м.н., профессор __________ Годлевский Л.С.
ОДЕССА - 2010
1. Тема: "Электромагнитные колебания и волны".
Электромагнитное излучение - взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (B) полей, образующих электромагнитное поле.
Распространение его осуществляется при помощи электромагнитных волн. Э.В. представляет собой поток фотонов, который только при большом их (фотонов) количества можно рассматривать как непрерывный процесс.
Различают вынужденные (под воздействием внешних источников) и собственные электромагнитные колебания. В неограниченном пространстве или в системах с потерями энергии возможны электромагнитные колебания с непрерывным спектром частот. Пространственно ограниченные системы имеют дискретный спектр частот причем каждой частоте соответствует один или несколько независимых типов колебаний (мод).
Представление колебаний в виде суперпозиции мод с непрерывным или дискретным спектром возможное для произвольной сложной системы проводников и диэлектриков, если поля, ток или заряды в них связаны между собой линейными соотношениями.
Электромагнитная волна это процесс распространения электромагнитного взаимодействия в пространстве.
Уравнения
Электромагнитные волны описываются общими для электромагнитных явлений уравнениями Максвелла. Даже в случае отсутствия в пространстве электрических зарядов и токов уравнения Максвелла имеют отличные от нуля решения. Эти решения описывают электромагнитные волны.
В случае отсутствия зарядов и токов уравнения Максвелла приобретают следующий вид:
,
,
,
.
Применяя операцию rot к первым двум уравнений можно получить отдельные уравнения для определения напряженности электрического и магнитного полей
Эти уравнения имеют типовую форму волновых уравнений. Их решениями являются суперпозиция выражений следующего типа
,
,
где величины Н и Е являются амплитудами электрической и магнитной компоненты электромагнитной волны. Они взаимно перпендикулярны и равны по абсолютной величине.
Характеристики
В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью, которая называется скоростью света. Скорость света является фундаментальной физической константой, которая обозначается латинской буквой c. Согласно основным постулатом теории относительности скорость света является максимально возможной скоростью передачи информации или движения тела. Эта скорость составляет 299 792 458 м / с.
Электромагнитная волна характеризуется частотой. Различают линейную частоту ν и циклическую частоту ω = 2πν. В зависимости от частоты электромагнитные волны относятся к одному из спектральных диапазонов.
Другой характетистикою электромагнитной волны является волновой вектор. Волновой вектор определяет направление распространения электромагнитной волны, а также ее длину. Абсолютное значение хвильoвого вектора называют волновым числом.
Длина электромагнитной волны λ = 2π / k, где k - волновое число.
Длина электромагнитной волны связана с частотой через закон дисперсии. В пустоте эта связь проста:
λν = c.
Часто данное соотношение записывают в виде
ω = ck.
Электромагнитные волны с одинаковой частотой и волновым вектором могут различаться фазой.
В пустоте векторы напряженности электрического и магнитного полей електомагнитнои волны обязательно перпендикулярны направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными волнами. Математически это описывается уравнениями 
и 
.
Кроме того, наружености елекричного и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и всегда в любой точке пространства уровне по абсолютной величине: E = H. Если выбрать систему координат таким образом, чтобы ось z совпадала с направлением распространения электромагнитной волны, существовать две различные возможности для направлений векторов напряженности электрического поля. Если эклектичное поле направлено вдоль оси x, то магнитное поле будет направлено вдоль оси y, и наоборот. Эти две разные возможности не исключают друг друга и соответствуют двум различным поляризация.
В зависимости от частоты или длины волны (эти величины связаны между собой), электромагнитные волны относят к разным диапазонов. Волны в различных диапазонах разному взаимодействуют с физическими телами.
Электромагнитные волны с наименьшей частотой (или наибольшей длиной волны) относятся к радиодиапазоне. Радиодиапазон используется для передачи сигналов на расстояние с помощью радио, телевидения, мобильных телефонов. В радиодиапазоне работает радиолокация. Радиодиапазон разделяется на метровый, дицеметровий, сантиметровый, миллиметровый, в зависимости от длины електомагнитнои волны.
Электромагнитные волны с высшим частотой относятся к инфракрасного диапазона. В инфракрасном диапазоне лежит тепловое излучение тела. Регистрация этого випромиювання лежит в основе работы приборов ночного видения. Инфракрасные волны применяются также для изучения тепловых колебаний в телах и помогают установить атомную структуру твердых тел, газов и жидкостей.
Электромагнитное излучение с длиной волны от 400 нм до 800 нм принадлежат к диапазону видимого света. В зависимости от частоты и длины волны видимый свет различается по цветам.
Волны с длиной меньше 400 нм называются ультрафиолетовыми. Человеческий глаз их не различает, хотя их свойства не отличаются от свойств волн видимого диапазона. Большая частота, а, следовательно, и энергия квантов такого света приводит к более разрушительного действия ультрафиолетовых волн на биологические объекты. Земная поверхность защищена от вредного воздействия ультрафиолетовых волн озоновым слоем. Для дополнительной защиты природа наделила людей темной кожей. Однако ультрафиолетовые лучи нужны человеку для производства витамина D. Именно поэтому люди в северных широтах, где интенсивность ультрафиолетовых волн меньше, потеряли темную окраску кожи.
Электромагнитные волны еще высшей частоты относятся к рентгеновскому диапазону. Они называются так потому, что их открыл Рентген, изучая излучение, которое образуется при торможении электронов. В зарубежной литературе такие волны принято называть X-лучами, уважая желание Рентгена, чтобы лучи не называли его именем.
Рентгеновские волны слабо взаимодействуют с веществом, сильнее поглощаясь там, где плотность больше. Этот факт используется в медицине для рентгеновской флюорографии. Рентгеновские волны применяются также для элементного анализа и изучения структуры кристаллических тел.
Наивысшую частоту и наименьшую длину имеют γ-лучи. Такие лучи образуются вследствие ядерных реакций и реакций между элементарными частицами. γ-лучи имеют большую разрушительное воздействие на биологические объекты. Однако они используются в физике для изучения различных характеристик атомного ядра.
Энергия электромагнитной волны
Энергия электромагнитной волны определяется суммой энергий электрического и магнитного поля. Плотность энергии в определенной точке пространства задается выражением:
.
Усредненная по времени плотность энергии равна.
,
где E0 = H0 - амплитуда волны.
Важное значение имеет плотность потока энергии электромагнитной волны. Она в частности определяет световой поток в оптике. Плотность потока энергии электромагнитной волны задается вектором Умова-Пойнтинга.
