Отличие электромагнитных волн от звуковых волн

Основные характеристики звуковых волн

Звуковые волны относят к механическим колебаниям с малыми амплитудами (это слабые возмущения).

Звуковые волны в газообразных и жидких веществах могут быть только продольными, поскольку эти вещества имеют свойство упругости только в отношении деформации сжатия и растяжения. В твердом теле акустические волны могут быть и продольными, и поперечными, так как твердое тело может быть подвержено еще и деформации сдвига.

Чувствительность уха человека разная для разных частот. Для создания у человека ощущения звука акустическая волна должна иметь некоторую минимальную интенсивность. В случае превышения определенного предела интенсивности человек звук не слышит, волна может вызывать только болевые ощущения.

Скорость распространения акустических волн в газовых средах может быть найдена в соответствии с выражением:

$v=\sqrt{\frac{\gamma{}RT}{\mu{}}}\left(1\right)$, где:

• $R$ – газовая постоянная;
• $\mu{}$ – молярная масса газа;
• $\gamma{}=\frac{C_p}{C_V}$.

Формула (1) говорит нам о том, что скорость звука в газовых средах не зависит от давления, но увеличивается с ростом температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше скорость распространения волн звука.

Рассматривая распространение акустических волн в атмосфере, следует принимать во внимание множество параметров:

• скорость и направление ветра;
• влажность;
• состав воздуха;
• явления преломления и отражения звука на границах раздела сред;
• вязкость газа, в котором распространяется звуковая волна.

Уравнение механических волн

Акустические волны, как и любые другие упругие волны, появляются из-за наличия связей, которые имеются между частицами вещества, в котором они распространяются. При этом отклонение (перемещение) одной частицы от положения равновесия ведет к смещению соседствующих с ней других частиц. Данный процесс происходит в пространстве с некоторой ограниченной скоростью.

Уравнение волны отображает функциональную связь между смещением частицы, совершающей колебания, и ее координатой в равновесии и временем.

Рассмотрим звуковую волну, которая распространяется по оси $X$ без затухания. Тогда мы должны получить функцию:

$s=f(x,t)$.

Если в волне нет затухания, то амплитуды всех точек одинаковы. Пусть источник волны совершает колебания по закону:

$s=s_m\cos{\left(\omega{}t\right)\left(2\right),}$

где $s_m$ – амплитуда колебаний.

Колебания точки с координатой $x$ в этой волне будет описывать уравнение:

$s=s_m\cos{\left(\omega{}(t-\frac{x}{v}\right)\left(2\right),}$

где $v$ - скорость распространения волны. Выражение (2) – уравнение плоской звуковой волны.

Волновое уравнение для звуковой волны в одномерном случае:

$\frac{d^2s}{dx^2}=\frac{1}{v^2}\frac{d^2s}{dt^2}\left(3\right).$

Выражение (2) является одним из решений волнового уравнения (3). Если изменение физического параметра отвечает уравнению (3), то эта величина распространяется как волна со скоростью $v$.

Электромагнитные волны

Переменное электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле и наоборот, это ведет к распространению единого электромагнитного поля в пространстве, которое называют электромагнитной волной.

Электромагнитные волны описывают при помощи уравнений для векторов напряженности электрического и магнитного полей.

Допустим, что мы имеем дело с плоской электромагнитной волной, распространяющейся по оси $X$, тогда волновые уравнение можно записать в виде:

$\frac{{\partial{}}^2E}{\partial{}x^2}={\epsilon{}}_r{\epsilon{}}_0{\mu{}}_r{\mu{}}_0\frac{{\partial{}}^2E}{\partial{}t^2}$ (4.1)

$\frac{{\partial{}}^2H}{\partial{}x^2}-\frac{1}{v^2}\frac{{\partial{}}^2H}{\partial{}t^2}=0$ (4.2).

Решением уравнения (4.1) служит функция (5),

$E=E_m\cos{\omega{}\left(t-\frac{x}{v}\right)\left(5\right).}$

Решением уравнения (4.2) служит (6).

$H=H_m\cos{\omega{}\left(t-\frac{x}{v}\right)\left(6\right).}$

Из волнового уравнения (4) можно сделать вывод о том, что электромагнитная волна в веществе распространяется со скоростью, равной:

$v=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon{}}_r{\epsilon{}}_0{\mu{}}_r{\mu{}}_0}}\left(7\right).$

Выражение (7) показывает нам, что скорость движения электромагнитной волны зависит только от вида вещества, в котором волна перемещается и не зависит от состояния этого вещества (давления, температуры и т.д.).

Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Колебания векторов $E ⃗,H ⃗$ происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Мало того, три вектора, $E ⃗,H ⃗,v ⃗$ образуют правовинтовую систему, что означает: Если смотреть из конца вектора скорости на вращение, по кратчайшему расстоянию, от вектора напряженности электрического поля к вектору напряженности магнитного поля, то это вращение будет происходить против часовой стрелки.

Сравнение акустических и электромагнитных волн

1. По своей природе звуковые волны являются механическим волнами. Электромагнитные волны – порождение переменных магнитного и электрического полей.
2. По месту распространения: акустическая волна способна распространяться только в веществе, которое имеет свойство упругости. Электромагнитная волна может распространяться и в веществе, и в вакууме.
3. Скорость распространения звуковых волн зависит от состояния среды (см формулу 1). В частности, скорость распространения акустических волн зависит от температуры газа и не зависит от давления. Электромагнитная волна распространяется со скоростью, не зависящей от состояния вещества. В вакууме электромагнитные волы распространяются со скоростью света.
4. Звуковые волны определённой интенсивности способны воздействовать на слуховой аппарат человека и могу быть им услышаны. Электромагнитные волны нуждаются в специальной детекции. Их наличие или отсутствие человек не может обнаружить при помощи органов чувств.

Общим у звуковых и электромагнитных волн является то что:

• Эти процессы являются волновыми, следовательно, описываются волновыми уравнениями одинаковой формы (3,4).
• Эти волны распространяются в пространстве с конечной скоростью.
• В естественных условиях эти волновые процессы являются затухающими, для их длительного существования необходимы источники энергии.