Interested Article - Электромагнитные колебания

Электромагнитные колебания можно изобразить в виде самораспространяющихся поперечных колебаний электрического и магнитного полей. На рисунке — плоскополяризованная волна, распространяющаяся слева направо. Колебания электрического поля изображены в вертикальной плоскости, а колебания магнитного поля — в горизонтальной.

Электромагнитные колебания — периодические изменения напряжённости и индукции электромагнитного поля.

Электромагнитными колебаниями являются радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , видимый свет , ультрафиолетовое излучение , рентгеновские лучи , гамма-лучи .

Существует близкий термин — электрические колебания . Периодические ограниченные изменения величин заряда , тока или напряжения называют электрическими колебаниями . Синусоидальный переменный электрический ток является одним из видов вынужденных электрических колебаний.

Вывод формулы

Электромагнитные волны как универсальное явление были предсказаны классическими законами электричества и магнетизма, известными как уравнения Максвелла . Если вы внимательно посмотрите на уравнения Максвелла в отсутствие источников (зарядов или токов), то обнаружите, что помимо тривиального решения, когда напряжённости электрического и магнитного поля равны нулю в каждой точке пространства и ничего не меняется, существуют нетривиальные решения, представляющие собой изменения обеих напряжённостей в пространстве и времени. Начнём с уравнений Максвелла для вакуума:

где

— векторный дифференциальный оператор набла .

Система уравнений (1)—(4) имеет тривиальное решение

Чтобы найти нетривиальное решение, мы воспользуемся векторным тождеством, которое справедливо для любого вектора, в виде:

Чтобы посмотреть как мы можем использовать его, возьмём операцию вихря от выражения (2):

Левая часть (5) эквивалентна:

где мы упрощаем, используя уравнение (1).

Правая часть эквивалентна:

Уравнения (6) и (7) равны, таким образом эти результаты в дифференциальном уравнении для электрического поля, а именно

Применяя аналогичные исходные результаты в аналогичном дифференциальном уравнении для магнитного поля:

Эти дифференциальные уравнения эквивалентны волновому уравнению :

где — скорость волны в вакууме, — описывает смещение.

Или

где оператор Д’Аламбера :

Заметьте, что в случае электрического и магнитного полей скорость .:

которая есть скорость света в вакууме. Уравнения Максвелла объединили диэлектрическую проницаемость вакуума , магнитную проницаемость вакуума и непосредственно скорость света . До этого вывода не было известно, что была такая строгая связь между светом, электричеством и магнетизмом.

Но имеются только два уравнения, а мы начали с четырёх, поэтому имеется ещё больше информации относительно волн, спрятанных в уравнениях Максвелла. Давайте рассмотрим типичную векторную волну для электрического поля.

Здесь — постоянная амплитуда колебаний, — любая мгновенная дифференцируемая функция , единичный вектор в направлении распространения, а - радиус-вектор . Мы замечаем, что — общее решение волнового уравнения. Другими словами

для типичной волны, распространяющейся в направлении.

Эта форма будет удовлетворять волновому уравнению, но будет ли она удовлетворять всем уравнениям Максвелла, и с чем соответствуется магнитное поле?

Первое уравнение Максвелла подразумевает, что электрическое поле ортогонально (перпендикулярно) направлению распространению волны.

Второе уравнение Максвелла порождает магнитное поле. Оставшиеся уравнения будут удовлетворяться выбором .

Мало того, что волны электрического и магнитного полей распространяются со скоростью света, но они имеют ограниченную ориентацию и пропорциональную величину, , которую можно сразу же заметить из вектора Пойнтинга . Электрическое поле, магнитное поле и направление распространения волны все являются ортогональными, и распространение волны в том же направлении как вектор .

С точки зрения электромагнитной волны, перемещающейся прямолинейно, электрическое поле может колебаться вверх и вниз, в то время как магнитное поле может колебаться вправо и влево, но эта картина может чередоваться с электрическим полем, колеблющемся вправо и влево, и магнитным полем, колеблющимся вверх и вниз. Эта произвольность в ориентации с предпочтением к направлению распространения известна как поляризация .

См. также

Примечания

  1. Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. — 9-е изд. — М. : Наука, 1982. — С. 141. — 208 с.
  2. Калашников С. Г. , Электричество, М., ГИТТЛ, 1956, Гл. XXIII «Свободные электромагнитные волны», п. 265 «Свойства электромагнитных волн», с. 599;

Литература

Источник —

Same as Электромагнитные колебания