Электромагнитная волна
Электромагнитная волна — это распространяющееся в пространстве взаимосвязанное изменение электрического и магнитного полей. Такие волны переносят энергию, могут распространяться в вакууме и в веществе; свет, радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение имеют одну и ту же электромагнитную природу.
Возникновение электромагнитной волны
Электрический заряд, движущийся с постоянной скоростью, создаёт электрическое и магнитное поля. Если движение заряда изменяется, например заряд колеблется в антенне, его поле также изменяется. Изменяющееся электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле — электрическое. Эти изменения распространяются от источника в пространстве, образуя электромагнитную волну.
Электромагнитная волна — это распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле, создаваемое движущимися с ускорением зарядами и переносящее энергию.
Подробное описание источников и взаимодействия электрического и магнитного полей дано на странице «Электромагнитное поле». Для возникновения волны необходим источник, в котором заряды движутся неравномерно или совершают колебания. Вдали от источника поле уже существует как волна и может распространяться независимо от дальнейшего движения заряда.
Свойства электромагнитной волны
- В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света \(c \approx 3\cdot10^8\) м/с.
- Электромагнитной волне не нужна материальная среда: она может распространяться в вакууме.
- Векторы электрического поля \(E\) и магнитного поля \(B\) взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волны.
- Волна является поперечной: колебания происходят поперёк направления её распространения.
- Электромагнитная волна отражается, преломляется, поглощается, может испытывать интерференцию и дифракцию.
- Волна переносит энергию и импульс, но не переносит вещество от источника к приёмнику.
Для любой волны скорость равна произведению длины волны на частоту. В вакууме скорость электромагнитной волны равна скорости света.
Здесь \(v\) — скорость волны в среде, \(c\) — скорость света в вакууме, \(\lambda\) — длина волны в метрах, \(\nu\) — частота в герцах. Частота определяется источником и при переходе волны из одной среды в другую не изменяется. Скорость и длина волны при этом могут измениться.
Параметры электромагнитной волны
Амплитуда — наибольшее отклонение величины поля от нулевого значения. Чем больше амплитуда, тем больше энергия, переносимая волной, при прочих равных условиях. Период \(T\) — время бір полного колебания. Частота \(\nu\) показывает число колебаний за одну секунду. Эти величины связаны формулой:
Длина волны \(\lambda\) — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися одинаково, например между соседними гребнями. За один период волна проходит расстояние \(\lambda\), поэтому \(\lambda=vT\).
| Величина | Обозначение | Единица СИ | Смысл |
|---|---|---|---|
| Скорость | \(v\) немесе \(c\) | м/с | Расстояние, пройденное волной за единицу времени |
| Длина волны | \(\lambda\) | м | Пространственный период волны |
| Частота | \(\nu\) | Гц | Число колебаний за 1 с |
| Период | \(T\) | с | Время бір колебания |
| Амплитуда поля | \(E_0\), \(B_0\) | В/м, Тл | Максимальное значение поля |
Волна переходит из воздуха в стекло. Что происходит с её частотой?
Энергия и скорость распространения
Электромагнитная волна переносит энергию от источника. Например, энергия солнечного излучения нагревает поверхность Земли, а энергия радиоволны передаётся приёмной антенне. При удалении от точечного источника энергия распределяется по всё большей площади, поэтому интенсивность излучения уменьшается.
Интенсивность — энергия, проходящая за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны. Её единица СИ — \(\text{Вт/м}^2\).
Здесь \(W\) — переданная энергия, \(S\) — площадь поверхности, через которую она проходит, \(t\) — время. Для сферического распространения от точечного источника при отсутствии поглощения \(I\sim\frac{1}{r^2}\): при увеличении расстояния в 2 раза интенсивность уменьшается в 4 раза.
В прозрачной среде электромагнитная волна обычно распространяется медленнее, чем в вакууме. Показатель преломления среды \(n\) показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости в среде.
Поскольку частота при переходе границы сред постоянна, из \(v=\lambda\nu\) следует: в среде с меньшей скоростью длина волны меньше. В вакууме разные электромагнитные волны имеют одну скорость \(c\), но отличаются частотой и длиной волны. Их расположение по частоте и длине волны рассматривает электромагнитный спектр.
Разобранный пример: длина радиоволны
Радиопередатчик излучает волну частотой \(100\) МГц. Найдём длину волны в вакууме.
Длина радиоволны равна \(3\) м. Важно перевести мегагерцы в герцы: \(1\) МГц \(=10^6\) Гц.
Частые ошибки
Частота и длина волны — не одно и то же. Частота показывает, как быстро колеблется поле во времени, а длина волны — периодичность в пространстве.
Не утверждайте, что все электромагнитные волны всегда имеют скорость \(3\cdot10^8\) м/с. Это скорость в вакууме; в веществе скорость меньше и зависит от среды.
Электрическое и магнитное поля не колеблются вдоль направления распространения. Электромагнитная волна поперечна: оба поля перпендикулярны направлению движения волны.
Быстрая проверка
Главное
- Электромагнитная волна возникает при ускоренном движении зарядов и представляет собой распространяющееся взаимосвязанное изменение электрического и магнитного полей.
- Волна поперечна, может распространяться в вакууме, отражаться, преломляться и переносить энергию.
- Основная связь параметров: \(v=\lambda\nu\); в вакууме \(c=3\cdot10^8\) м/с.
- При переходе в другую среду частота сохраняется, а скорость и длина волны изменяются.
- Интенсивность характеризует перенос энергии; для точечного источника она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.