Электромагнитные волны

Среди порождаемых электрическими зарядами электромагнитных полей принято считать излучением ту часть переменных электромагнитных полей, которая может распространяться максимально далеко от своих источников (движущихся зарядов). При этом с расстоянием она медленно затухает.

Характеристики электромагнитных волн

Главными характеристиками электромагнитного излучения считается частота, поляризация, длина волны.

Длина волны непосредственно связана с частотой посредством групповой скорости распространения излучения. Групповая скорость распространяющегося в вакууме электромагнитного излучения будет равна скорости света. В других средах такая скорость окажется меньше.

Описанием параметров и свойств электромагнитного излучения занимается электродинамика. Свойства излучения отдельных областей спектра изучаются в специализированных разделах физики:

• в оптике;
• радиофизике;
• физике высоких энергий.

В соответствии с современными представлениями, электродинамика при высоких энергиях теряет свою самостоятельность и объединяется в одной теории со слабыми взаимодействиями, а впоследствии - с калибровочными полями.

В физике существуют теории, различающиеся в деталях и степени общности, которые позволяют моделировать и изучить свойства электромагнитного излучения и его проявления. Наиболее фундаментальную из проверенных теорий подобного рода представляет квантовая электродинамика, из которой вытекают все последующие теории, перечисленные ниже, имеющие широкое применение в разных областях.

При описании низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используется, как правило, классическая электродинамика, основанная на уравнениях Максвелла. Для оптических излучений (вплоть до рентгеновского диапазона) в физике применяют оптику:

• волновую (когда размеры отдельных частей в оптической системе близки к длинам волн);
• квантовую (когда существенными будут такие процессы, как: поглощение, излучение и рассеяние фотонов);
• геометрическую (это предельный случай волновой оптики, когда можно пренебречь длиной волны излучения).

Гамма-излучение представляет предмет ядерной физики. С биологической и медицинской позиции в радиологии изучается воздействие электромагнитного излучения.

Также в физике существуют ряд прикладных и фундаментальных областей (например, фотохимия, астрофизика, биология зрительного восприятия и фотосинтеза), области спектрального анализа, электромагнитное излучение (определенного диапазона) в которых и его взаимодействие с веществом играют значимую роль. Все эти области пересекаются и граничат с описанными выше разделами физики.

Согласно теории колебаний и положениям электродинамики, некоторые особенности электромагнитных волн заключаются в наличии трех взаимно перпендикулярных векторов (в вакууме):

• вектора напряженности для электрического поля;
• волнового вектора;
• вектора напряженности для магнитного поля.

Электромагнитные волны представляют поперечные волны, вектора напряженностей электрического и магнитного полей в которых колеблются перпендикулярно направлению распространения волн.

Виды электромагнитных волн

Электромагнитные волны делятся на:

• волны видимого света;
• ультрафиолетовое излучение;
• радиоволны (начиная со сверхдлинных),
• инфракрасное, терагерцовое и рентгеновское излучения.

Радиоволны являются в физике электромагнитными волнами с частотой до 3 ТГц и распространением в пространстве без искусственного волновода. В электромагнитном спектре радиоволны расположены от крайне низких частот до инфракрасного диапазона.

Инфракрасное излучение называется также тепловым. Это обусловлено тем, что от нагретых предметов инфракрасное излучение воспринимается кожей человека в виде ощущения тепла. При этом излучаемые телом длины волн независимы от температуры нагревания. Так, чем температура выше, тем длина волны короче и интенсивность излучения выше.

При относительно невысоких температурах спектр излучения у абсолютно черного тела лежит в основном в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускается возбужденными атомами или ионами.

Терагерцовое излучение представляет собой вид электромагнитного излучения, чей спектр частот располагается между сверхвысокочастотным и инфракрасным диапазонами. Границы между данными видами излучения в различных источниках будут определяться по-разному.

Гипотеза Максвелла

Теоретически существование магнитных волн доказал в 1864 г. английский физик Дж. Максвелл. Ученый детально проанализировал все известные на тот момент времени законы электродинамики и применил их в отношении изменяющихся во времени электрического и магнитного полей. При этом он подчеркнул асимметрию взаимосвязи электрических и магнитных явлений.

Максвелл ввел такое понятие в физику, как вихревое электрическое поле. Также физик предложил новую трактовку для закона электромагнитной индукции, открытой в 1831 г. М. Фарадеем.

Гипотеза Максвелла стала только теоретическим предположением, не подтвержденным экспериментально. Но на ее основе ученый составил систему уравнений для описания взаимных превращений магнитных и электрических полей (система уравнений электромагнитного поля). Согласно гипотезе Максвелла, электромагнитные волны имеют следующие свойства:

• поперечность электромагнитных волн;
• распространение в веществе с конечной скоростью.

Рисунок 1. Свойства электромагнитных волн. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В электромагнитной волне осуществляются взаимные превращения магнитного и электрического полей:

Рисунок 2. Взаимные превращения магнитного и электрического полей . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ