 |
Энергия электромагнитных волн Вектор Умова-Пойтинга. Импульс электромагнитного поля. Интенсивность света.
|
|
|
|
Возможность обнаружения электромагнитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность 
энергии электромагнитной волны складывается из объемных плотностей электрического и магнитного полей:
. (24.9)
Учитывая выражение (24.4), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент времени одинакова т.е. 
. Поэтому
. (24.10)
Умножив плотность энергии на скорость u распространения волны в среде (см. (24.3)), получим модуль плотности потока энергии:
. (24.11)
Так как векторы 
и 
взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга:
. (24.12)
Вектор 
направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.
Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами (эти явления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромагнитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны, заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны действию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излучения, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности составляет примерно 5 мкПа. В исключительно тонких экспериментах, ставших классическими, П. Н. Лебедев в 1899 г. доказал существование светового давления на твердые тела, а в 1910 г.— на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.
|
|
|
Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля
, (24.13)
где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р = тс (поле в вакууме распространяется со скоростью с),получим p = mc=W/c, откуда
(24.14)
свободного электромагнитного поля является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, выражение (24.14) имеет общее значение и справедливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.
Таким образом, рассмотренные свойства электромагнитных волн, определяемые теорией Максвелла, полностью подтверждаются опытами Герца, Лебедева и вводами специальной теории относительности, сыгравшими решающую роль для подтверждения и быстрого признания этой теории.
Впервые электромагнитные волны были использованы через семь лет после опытов Герца. Полное описание применения электромагнитных волн дать практически невозможно т.к. нет областей науки и техники, где бы они не использовались. Электромагнитные волны используются в определении точного расстояния с помощью радиосигналов (интерферометры, нивелиры, теодолиты). При помощи рентгеновского излучения можно определить дефекты конструкционных материалов. Проводится термообработка (закалка) конструкционных материалов.
9. Развитие представлений о природе света.
Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболического зеркала, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).
|
|
|
Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:
|
где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.
Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн (плоскость A 1 A 2 на рис. 3.6.1) дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 3.6.1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.
|
| Рисунок 3.6.1. Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны |
Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:
|
Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу:υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c.
|
|
|
Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физикуО. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когдаЖ. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c.
Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался открытым.
В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – этоэлектромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной 
Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца по исследованию электромагнитных волн (1887–1888 гг.). В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт.
Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν). Таким путем было найдено значение
|
|
|
|
превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.
Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физики под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ). По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 3.6.2. дает представление о шкале электромагнитных волн.
|
| Рисунок 3.6.2. Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны |
Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):
| 1 нм = 10–9 м = 10–7 см = 10–3 мкм. |
Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм.
Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений. Наука вновь вернулась к идее корпускул – световых квантов. Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что он имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.
|
|
|
