Курс физики для вузов - часть 75

равен

 Вектор плотности пото-

ка электромагнитной энергии назы-
вается вектором Умова —

Вектор S направлен в сторону рас-

пространения электромагнитной вол-

ны, а его модуль равен энергии, пере-
носимой электромагнитной волной за
единицу времени через единичную пло-
щадку, перпендикулярную направле-
нию распространения волны.

Если электромагнитные волны по-

глощаются или отражаются телами
(эти явления подтверждены опытами
Г. Герца), то из теории Максвелла сле-
дует, что электромагнитные волны дол-
жны оказывать на тела давление.

Давление электромагнитных волн

объясняется тем, что под действием
электрического поля волны заряженные

частицы вещества начинают упорядо-
чение двигаться и подвергаются со сто-
роны магнитного поля волны действию
сил Лоренца. Однако значение этого дав-
ления ничтожно мало. Можно оценить,
что при средней мощности солнечного

излучения, приходящего на Землю, дав-
ление для абсолютно поглощающей по-
верхности составляет примерно 5 мкПа.

В исключительно тонких

тах, ставших классическими, П. Н. Лебе-
дев в

 г. доказал существование све-

тового давления на твердые тела, а в

1910 г. — на газы. Опыты П.Н.Лебеде-

ва имели огромное значение для утвер-
ждения выводов теории Максвелла о
том, что свет представляет собой элек-
тромагнитные

Существование давления электро-

магнитных волн приводит к выводу о
том, что им присущ механический им-

пульс. Электромагнитная волна, несу-
щая энергию W, обладает импульсом

§

 Излучение диполя.

Применение

электромагнитных волн

Простейшим излучателем электро-

магнитных волн является электриче-
ский диполь, электрический момент ко-
торого изменяется во

 гар-

моническому закону

где  — амплитуда вектора

Примером подобного диполя может

служить система, образованная не-
подвижным точечным зарядом +Q
колеблющимся около него вдоль на-
правления р с частотой  точечного за-
ряда - Q.

Задача об излучении диполя имеет

в теории излучающих систем важное
значение, так как всякую реальную из-
лучающую систему (например, антен-
ну) можно рассчитывать, рассматривая
излучение диполя. Кроме того, многие
вопросы взаимодействия излучения с
веществом можно объяснять на основе
классической теории, рассматривая
атомы как системы зарядов, в которых
электроны совершают гармонические
колебания около их положений равно-
весия.

Характер электромагнитного поля

диполя зависит от выбора рассматрива-
емой точки. Особый интерес подставля-

ет так называемая волновая зона дипо-

ля — точки пространства, отстоящие от

диполя на расстояниях

 значительно

превышающих длину волны

 X), —

так как в ней картина электромагнит-
ного поля диполя сильно упрощается.

Это связано с тем, что в волновой зоне

диполя практически остаются только

«отпочковавшиеся» от диполя свобод-

но распространяющиеся поля, в то вре-
мя как поля, колеблющиеся вместе с

диполем и имеющие более сложную

структуру, сосредоточены в области
расстояний г  X.

Если волна распространяется в од-

нородной изотропной среде, то время
прохождения волны до точек, удален-
ных от диполя на расстояние  одина-
ково. Поэтому во всех точках сферы,
центр которой совпадает с диполем,
фаза колебаний одинакова, т.е. в вол-

новой зоне волновой фронт будет сфе-
рическим и, следовательно, волна, из-
лучаемая диполем, есть сферическая
волна.

В каждой точке векторы Е  Н ко-

леблются по закону cos

 —

 амп-

литуды этих векторов пропорциональ-
ны -

 8 (для вакуума), т. е. зависят от

расстояния  до излучателя и угла
между направлением радиуса-вектора и
осью диполя. Отсюда следует, что ин-
тенсивность излучения диполя в вол-
новой зоне

(164.1)

Зависимость

 /от  при задан-

ном значении  приводимая в поляр-
ных координатах (рис. 230), называет-
ся диаграммой направленного излу-
чения диполя. Как видно из выражения

(164.1) и приведенной диаграммы, ди-
поль сильнее всего излучает в направ-

лениях, перпендикулярных его оси

(

 ). Вдоль своей оси (9  0 и 9 =

диполь не излучает вообще. Диаграм-
ма направленности излучения диполя

Рис.

позволяет формировать излучение с оп-
ределенными характеристиками и ис-

пользуется при конструировании ан-

тенн.

Впервые электромагнитные волны

были использованы через семь лет пос-
ле опытов Герца. 7 мая 1895 г. препода-
ватель физики офицерских минных
классов А. С. Попов

 — 1906) на за-

седании Русского физико-химического
общества продемонстрировал первый в
мире радиоприемник, открывший воз-
можность практического использова-
ния электромагнитных волн для бес-

проволочной связи, преобразившей
жизнь человечества. Первая передан-
ная в мире радиограмма содержала
лишь два слова: «Генрих Герц». Изоб-
ретение радио Поповым сыграло огром-
ную роль для распространения и разви-
тия теории Максвелла.

Электромагнитные волны сантимет-

рового и миллиметрового диапазонов,
встречая на своем пути преграды, отра-
жаются от них. Это явление лежит в
основе радиолокации — обнаружения
предметов (например, самолетов, ко-
раблей и т.д.) на больших расстояниях
и точного определения их положения.

Помимо этого, методы радиолокации
используются для наблюдения прохож-

дения и образования облаков, движе-

ния метеоритов в верхних слоях атмо-
сферы и т. д.

Для электромагнитных волн харак-

терно явление дифракции — огибания

волнами различных препятствий. Имен-
но благодаря дифракции радиоволн
возможна устойчивая радиосвязь меж-
ду удаленными пунктами, разделенны-
ми между собой выпуклостью Земли.

Длинные волны (сотни и тысячи

метров) применяются в фототелегра-
фии, короткие волны (несколько мет-
ров и менее) применяются в телевиде-
нии для передачи изображений на не-

300

большие расстояния (немногим боль-

 для исследования радиоизлучения

ше пределов прямой видимости). небесных тел и т.д. Полное описание

Электромагнитные волны использу- применения электромагнитных волн

ются также в радиогеодезии для очень дать практически невозможно, так как

точного определения расстояний с по- нет областей науки и техники, где бы

мощью радиосигналов, в радиоастроно- они не использовались.

Контрольные вопросы

• Что такое электромагнитная волна? Какова скорость ее распространения?
• Что может служить источником электромагнитных
• Каковы физические процессы, приводящие к возможности существования электромаг-

нитных

• Почему Герц в своих опытах использовал открытый

 контур?

• Как можно представить себе шкалу электромагнитных воли, и каковы источники излу-

чения разных видов волн?

• Какие характеристики поля

 изменяются в бегущей электромагнитной

волне?

нимания распространения электромагнитной волны?

• Запишите волновое уравнение для векторов Е  Н переменного электромагнитного ноля.

Проанализируйте его решения и объясните физический смысл.

• Как определяется фазовая скорость электромагнитных
• Как определить объемную плотность энергии в электромагнитной волне?
• В чем заключается физический смысл вектора

 Чему он равен?

• Почему важна задача об излучении диполя?
• В чем заключается физический смысл диаграммы направленности излучения диполя?

ЗАДАЧИ

20.1. Электромагнитная волна с частотой 4 МГц переходит из немагнитной среды с ди-

электрической проницаемостью  = 3 в вакуум. Определите приращение

 длины волны.

[31,7 м]

20.2. Два параллельных провода, одни концы которых

 а другие индуктив-

но соединены с генератором электромагнитных колебаний, погружены в спирт. При соот-
ветствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние
между двумя узлами стоячих волн на проводах равно 0,5 м. Принимая диэлектрическую
проницаемость спирта  = 2G, а его магнитную проницаемость

 1, определите частоту

колебаний генератора.

 МГц]

20.3. В вакууме вдоль оси  распространяется плоская электромагнитная волна. Ампли-

туда напряженности электрического поля

 составляет 18,8 В/м. Определите интен-

сивность волны, т. е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени па единицу пло-
щади, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. [0,47 Вт/м

2

]

ЧАСТЬ 5

ОПТИКА.

КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ

 21

ЭЛЕМЕНТЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ

И

§ 165. Основные законы оптики.

Полное отражение

Еще до установления природы све-

та были известны следующие основные
законы оптики: закон прямолинейного

распространения света в оптически од-

нородной среде; закон независимости
световых пучков (справедлив только в
линейной оптике); закон отражения

 закон преломления света.

Закон прямолинейного распрост-

ранения света: свет в оптически одно-

родной среде распространяется прямо-
линейно.

Доказательством этого закона явля-

ется наличие тени с резкими граница-
ми от непрозрачных предметов при ос-

вещении их точечными источниками
света (источники, размеры которых
значительно меньше освещаемого пред-
мета и расстоянии до него). Однако экс-
перименты показали, что этот закон на-
рушается, если свет проходит сквозь
очень малые отверстия, причем откло-
нение от прямолинейности распростра-
нения тем больше, чем меньше отвер-
стия.

Закон независимости световых

пучков: эффект, производимый отдель-
ным

 не зависит от того, дей-

ствуют ли одновременно остальные
пучки или они устранены. Разбивая
световой поток на отдельные световые
пучки (например, с помощью диаф-
рагм), можно показать, что действие

выделенных световых пучков незави-
симо.

Если свет падает на границу раздела

двух сред (двух прозрачных веществ),
то падающий луч

 231) разделя-

ется на два — отраженный  и прелом-
ленный III, направления которых зада-
ются законами отражения и преломле-
ния.

Закон отражения света: отражен-

ный луч лежит в одной плоскости с па-
дающим лучом и перпендикуляром,
проведенным к границе раздела двух

сред в точке падения; угол отражения
равен углу падения

Рис.231

302