Электромагнитная волна¶

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, представляющее собой синфазные колебания электрической и магнитной составляющих, перпендикулярные друг другу и направлению распространения. Электромагнитные волны не требуют среды для распространения и движутся в вакууме со скоростью света — 299 792 458 м/с. К электромагнитным волнам относятся радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи.

¶История открытия

В 1861—1865 годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал систему уравнений, описывающих электрические и магнитные явления. Из уравнений Максвелла следовало, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле и наоборот, а возмущение такого рода способно распространяться в пространстве с конечной скоростью. Максвелл вычислил эту скорость и обнаружил совпадение со скоростью света, измеренной ранее, что привело его к выводу о природе света как электромагнитной волны.

Экспериментальное подтверждение теории было получено немецким физиком Генрихом Герцом в 1887—1888 годах. Герц создал установку, генерирующую и принимающую электромагнитные волны в радиодиапазоне, и показал, что они отражаются, преломляются и поляризуются подобно свету. В честь Герца единица измерения частоты получила название «герц» (Гц).

В России вклад в развитие теории внёс Александр Степанович Попов, который в 1895 году создал первый в мире радиоприёмник — «грозоотмётчик», а в 1896 году продемонстрировал передачу радиосигнала на расстояние.

¶Свойства

Электромагнитная волна характеризуется рядом параметров:

• Длина волны (λ) — расстояние между соседними точками поля, находящимися в одной фазе.
• Частота (ν) — число колебаний в единицу времени, измеряется в герцах.
• Скорость распространения — в вакууме постоянна и равна c ≈ 3·10⁸ м/с.
• Амплитуда — максимальное отклонение поля от положения равновесия.

Скорость, длина волны и частота связаны соотношением c = λν. В веществе скорость электромагнитной волны уменьшается, а длина волны сокращается, при этом частота остаётся неизменной.

Электрическая и магнитная составляющие волны перпендикулярны направлению распространения и образуют с вектором скорости правую тройку. Такая волна называется поперечной. В зависимости от ориентации вектора электрического поля различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию.

Электромагнитные волны переносят энергию и импульс. Плотность потока энергии описывается вектором Пойнтинга, а давление излучения на поверхность составляет около 4,5·10⁻⁶ Па на каждый ватт мощности, сосредоточенной в луче.

¶Спектр электромагнитных излучений

Электромагнитные волны образуют непрерывный спектр, который условно подразделяется на диапазоны:

Границы между диапазонами условны и различаются в разных источниках. Все виды излучения различаются только частотой и, соответственно, энергией квантов.

¶Квантовая природа

Согласно квантовой теории, электромагнитное излучение излучается и поглощается дискретными порциями — квантами (фотонами). Энергия фотона пропорциональна частоте: E = hν, где h — постоянная Планка. Чем выше частота, тем большую энергию несёт фотон и тем сильнее его ионизирующее действие на вещество. Этот принцип лежит в основе объяснения фотоэффекта, открытым Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

¶Применение

Электромагнитные волны применяются практически во всех областях техники и науки:

• Радиоволны — радио- и телевещание, связь, радиолокация, астрономия.
• Микроволны — радары, спутниковая связь, СВЧ-печи, системы навигации.
• Инфракрасное излучение — тепловизоры, пульты дистанционного управления, обогрев.
• Видимый свет — освещение, оптическая связь, лазерные технологии.
• Ультрафиолет — стерилизация, фоторезистная техника, возбуждение люминофоров.
• Рентгеновское излучение — медицинская диагностика, дефектоскопия, кристаллография.
• Гамма-излучение — радиотерапия в онкологии, стерилизация медицинского инструментария, гамма-дефектоскопия.

¶См. также

• Уравнения Максвелла
• Фотон
• Скорость света
• Спектр электромагнитного излучения

¶Источники

• Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. — 1873.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред.
• Савельев И. В. Курс общей физики. Том 2. Электричество.
• Трофимова Т. А. Курс общей физики. Электричество и оптика.