Почему в вакууме скорость распространения электромагнитных волн максимальна кратко

Обновлено: 07.07.2024

Физика

Электродинамика

Магнитное поле

Механические колебания

Электромагнитные колебания

Механические волны

Электромагнитные волны

Оптика

Геометрическая оптика

Задачи на сферическое зеркало

Линза

Волновая оптика

Основы теории относительности

Основы квантовой физики

Излучения и спектры

Световые кванты

Атомная физика

Ядерная физика

Физика элементарных частиц

Открытие позитрона. Античастицы

Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд

При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения можно представить в виде колебаний векторов напряженностей Н и Е в каждой точке пространства.

Максвелл показал, что колебания этих векторов в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис. 27.6), которые в свою очередь перпендикулярны к вектору скорости распространения волны

Относительные расположения этих векторов в волне, распространяющейся от антенны А, показаны для примера в точке В. Взаимные расположения этих трех векторов в любой точке бегущей электромагнитной волны связаны правилом правого винта: если головку винта расположить в плоскости векторов Е и Н и поворачивать ее в направлении от Е к Н (по кратчайшему пути), то поступательное движение винта укажет направление вектора V, т. е. направление распространения самой волны и переносимой ею энергии.

Итак, векторы Е и Н колеблются в плоскости, перпендикулярной к вектору V. Это означает, что электромагнитные волны являются поперечными волнами. Расположение векторов Е и Н в различных точках волны для одного и того же момента времени показано на рис. 27.7.

Скорость распространения электромагнитных волн зависит от электрических и магнитных свойств среда, и, как вытекает из теории Максвелла, ее числовое значение выражается формулой

Поскольку то имеем

Так как для вакуума значения равны единице, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме

(Покажите, что из (27.8) для с получается значение, близкое

Из сравнения формул (27.8) и (27.7) получаем

Величину показывающую, во сколько раз скорость распространения электромагнитных волн в вакууме больше, чем в какой-либо среде, называют абсолютным показателем преломления этой среды:

Явление преломления волн и происхождение названия для объяснены в §§ 29.6 и 29.7. Таким образом,

Заметим, что диэлектрическая проницаемость среды в формуле (27.11) не совпадает с диэлектрической проницаемостью той же среды ест, рассмотренной в электростатике (§ 14.7), так как зависит от частоты колебаний. Поэтому при расчетах по формулам (27.6), (27.7), (27.9), (27.11) нельзя брать значения из таблиц, приводимых в электростатике. Однако всегда больше единицы, а для диэлектриков, в которых могут распространяться электромагнитные волны, практически можно считать равным единице. Следовательно, в любой среде скорость распространения электромагнитных волн меньше, чем в вакууме, т. е. всегда больше единицы.

Для электромагнитных волн справедлива формула (24.23): Для вакуума эта формула принимает вид

где — длина волны в вакууме.

Напомним, что при переходе волн из одной среды в другую частота колебаний остается неизменной, а длина волны изменяется. Следует иметь в виду, что длину электромагнитной волны всегда указывают для вакуума, если нет специальных оговорок. На практике в основном используют волны с высокой частотой колебаний, так как энергия, переносимая волнами, пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, чем выше частота колебаний, тем легче осуществить направленное излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны имеют большое значение и при передаче электрической энергии по проводам, которые для волн являются как бы направляющими рельсами. Электрические сигналы вдоль проводов распространяются со скоростью т. е. при замыкании цепи ток возникает практически одновременно во всей цепи, в то время как скорость направленного движения электронов в проводе составляет десятые доли сантиметра в секунду.

Движения зарядов с ускорением, например, движение по окружности или колебания, порождают в пространстве распространение электромагнитных волн. Рассмотрим особенности этого процесса.

Влияние среды на электромагнитную волну

Электромагнитная волна представляет собой структуру вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. В вакууме такая структура распространяется от заряда, движущегося с ускорением во всех направлениях с постоянной скоростью, называемой скоростью света, равной $3×10^8$ м/с.

Однако, если заряд движется в некоторой среде, то эта среда оказывает на процесс распространения электромагнитной волны очень заметное влияние.

Любая среда в какой-то степени поглощает энергию электромагнитной волны, и амплитуда вектора ее напряженности падает. Наблюдать такое поглощение можно, вспомнив, что свет также является электромагнитной волной, и существуют прозрачные и непрозрачные для света вещества. Другие электромагнитные излучения в различных средах также поглощаются по-разному.

Возможность получения рентгеновских снимков обусловлена тем, что различные ткани по-разному поглощают рентгеновские лучи. Там, где лучи, пройдя через биологическую ткань, не ослабли – воздействие на чувствительный слой экрана будет сильнее, чем там, где лучи были сильно поглощены.

Рис. 1. Примеры рентгеновских снимков.

Рис. 2. Пример преломления ложка в стакане.

Влияние длины волны на процесс распространения

Коэффициент поглощения и преломления электромагнитной волны в среде достаточно сильно зависит от ее частоты (и длины).

Низкочастотные (сверхдлинные) волны

Электромагнитные волны c частотой $10^4$ Гц и менее способны достаточно далеко распространяться в диэлектрических средах (в толще воды или земли). При этом, за счет большой длины волны (десятки километров) они также могут достаточно хорошо огибать препятствия и кривизну Земли.

Радиоволны

По мере увеличения частоты, радиоволны теряют способность к огибанию препятствий, а также все сильнее поглощаются диэлектрическими средами. Однако, при этом они начинают хорошо отражаться от верхних слоев атмосферы. Это обуславливает возможность радиосвязи на больших расстояниях, иногда между точками на противоположных сторонах Земли.

Однако, для волн частотами свыше $10^8$ Гц верхние слои атмосферы становятся прозрачными, а диэлектрические препятствия начинают отражать волны таких высоких частот.

Световой диапазон

Начиная с частот $10^$ Гц электромагнитные волны ведут себя подобно свету. Условно световой диапазон разбит на инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую область. Характер распространения таких волн приблизительно одинаков – они очень плохо проникают сквозь большинство диэлектриков, но атмосфера для них почти прозрачна.

Рентгеновский и Гамма диапазон

Волны частотой, начиная с $10^$ Гц начинают все лучше проникать сквозь различные, и даже проводящие среды, за счет того, что длина волны становится сравнима с размерами атомов, а для гамма-диапазона даже сравнима с размерами ядер. Кроме того, малая длина волны обуславливает слабое отражение волн этого диапазона от границ различных сред.

Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.

Что мы узнали?

В вакууме электромагнитная волна свободно распространяется во все стороны от заряда, движущегося с ускорением. Любая среда в какой-то степени поглощает энергию, и амплитуда волны по мере распространения падает. Кроме того, скорость распространения в среде меньше, чем в вакууме, это приводит к частичному отражению волны на границе сред и к преломлению ее при переходе из одной среды в другую.

Электромагнитными волнами называется процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля. Теоретически существование электромагнитных волн предсказано английским ученым Максвеллом в 1865 г., а впервые они экспериментально получены немецким ученым Герцем в 1888 г.

Из теории Максвелла вытекают формулы, описывающие колебания векторов и. Плоская монохроматическая электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси x, описывается уравнениями

Здесь E и H - мгновенные значения, а E_m и H_m - амплитудные значения напряженности электрического и магнитного полей, ω - круговая частота, k - волновое число. Векторы и колеблются с одинаковой частотой и фазой, взаимно перпендикулярны и, кроме того, перпендикулярны вектору - скорости распространения волны (рис. 3.7). Т. е. электромагнитные волны поперечны.

В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью. В среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью µ скорость распространения электромагнитной волны равна:

Частота электромагнитных колебаний, так же, как и длина волны, могут быть в принципе любыми. Классификация волн по частоте (или длине волны) называется шкалой электромагнитных волн. Электромагнитные волны делятся на несколько видов.

Радиоволны имеют длину волны от 10 3 до 10 -4 м.

Световые волны включают:

инфракрасное излучение,

видимый свет в интервале ,

ультрафиолетовое излучение.

Рентгеновское излучение - .

Световые волны - это электромагнитные волны, которые включают в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра. Длины световых волн в вакууме, соответствующие основным цветам видимого спектра, указаны в нижеприведенной таблице. Длина волны дана в нанометрах.

Таблица

Цвет	Длина волны, нм	Цвет	Длина волны, нм
красный	760 - 620	голубой	510 - 480
оранжевый	620 - 590	синий	480 - 450
желтый	590 - 575	фиолетовый	450 - 380
зеленый	575 - 510

Для световых волн характерны те же свойства, что и для электромагнитных волн.

1. Световые волны поперечны.

2. В световой волне колеблются вектора и.

Опыт показывает, что все виды воздействий (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызываются колебаниями электрического вектора . Его называют световым вектором.

Амплитуду светового вектора E_m часто обозначают буквой A и вместо уравнения (3.30) используют уравнение (3.24).

3. Скорость света в вакууме.

Скорость световой волны в среде определяется по формуле (3.29). Но для прозрачных сред (стекло, вода) обычно.

Для световых волн вводится понятие - абсолютный показатель преломления.

Абсолютным показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

Из (3.29), с учетом того, что для прозрачных сред , можно записать равенство.

Для вакуума ε = 1 и n = 1. Для любой физической среды n > 1. Например, для воды n = 1,33, для стекла . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Отношение абсолютных показателей преломления называется относительным показателем преломления:

4. Частота световых волн очень велика. Например, для красного света с длиной волны .

При переходе света из одной среды в другую частота света не изменяется, но изменяется скорость и длина волны.

Для вакуума - ; для среды - , тогда

Отсюда длина волны света в среде равна отношению длины волны света в вакууме к показателю преломления

5. Поскольку частота световых волн очень велика , то глаз наблюдателя не различает отдельных колебаний, а воспринимает усредненные потоки энергии. Таким образом вводится понятие интенсивности.

Интенсивностью называется отношение средней энергии, переносимой волной, к промежутку времени и к площади площадки, перпендикулярной направлению распространения волны:

Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды (см. формулу (3.25)), то интенсивность пропорциональна среднему значению квадрата амплитуды

Характеристикой интенсивности света, учитывающей его способность вызывать зрительные ощущения, является световой поток - Ф.

6. Волновая природа света проявляется, например, в таких явлениях, как интерференция и дифракция.