§ 27. Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Иначе говоря, изменения электрического и магнитного полей передаются от одной точки к другой. Это понятие нужно, чтобы описывать радиосвязь, свет и другие виды излучения.

Электромагнитное поле — единое поле, включающее электрическую и магнитную составляющие. Они не существуют изолированно при распространении волны, а непрерывно связаны друг с другом. Такое представление объединяет электрические и магнитные явления.

Длина волны λ — расстояние, на которое распространяется волна за один период. Её измеряют в метрах, а для света часто используют нанометры. По длине волны можно сравнивать разные излучения и определять их свойства.

Частота электромагнитной волны ν — число колебаний поля за единицу времени. Единица частоты — герц: 1 Гц означает одно колебание в секунду. Частота показывает, насколько быстро меняется поле, и связана с длиной волны через скорость распространения.

Как это устроено

Изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле, потому что изменение электрического поля связано с появлением магнитного действия. В свою очередь, меняющееся магнитное поле порождает электрическое. Такая взаимная связь позволяет возмущению переходить от одной точки пространства к другой и образует электромагнитную волну.

Электромагнитной волне не нужны частицы вещества, которые передавали бы колебания соседним частицам. В ней меняются сами электрическое и магнитное поля, а каждое из них поддерживает появление другого. Поэтому волна может распространяться даже в вакууме, где нет воздуха, воды или другого вещества.

В электромагнитной волне электрическое поле, магнитное поле и направление распространения расположены под прямыми углами друг к другу. Если волна движется горизонтально, поле не направлено вдоль движения, а колеблется в перпендикулярной плоскости. Поэтому электромагнитную волну называют поперечной.

Скорость, длина волны и частота связаны формулой v = λν. Так как период T — время одного колебания, частота равна ν = 1/T, поэтому v = λ/T. В вакууме скорость равна c ≈ 3 · 10⁸ м/с, а в веществе обычно меньше; при этом частота при переходе границы не меняется.

Электромагнитная волна переносит энергию от источника к другим телам, хотя само поле распространяется без переноса вещества. При встрече с границей сред часть волны может отражаться или преломляться, а вещество способно поглощать её энергию. Наложение волн вызывает интерференцию, а огибание препятствий и распространение в области за узким отверстием — дифракцию.

Основные характеристики и свойства электромагнитных волн

В таблице собраны величины и свойства, которые чаще всего используются при решении задач. Сначала определите известные данные и их единицы, затем выберите подходящую связь между величинами. Для волны в веществе вместо скорости света в вакууме берите скорость в данной среде.

Разбор задач

Задача 1. Длина радиосигнала

Определить длину волны радиосигнала частотой 100 МГц в вакууме. Радиосигнал распространяется со скоростью c ≈ 3 · 10⁸ м/с. Сначала нужно привести частоту к единицам СИ.

1. Переведём частоту: ν = 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 1 · 10⁸ Гц.
2. Используем формулу λ = c/ν.
3. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(1 · 10⁸ Гц) = 3 м.

Ответ: длина волны радиосигнала равна 3 м.

Задача 2. Волна длиной 600 нм

Электромагнитная волна имеет длину 600 нм. Требуется найти частоту и определить диапазон излучения. Длину переводим в метры, потому что скорость света задана в м/с.

1. Переведём длину: λ = 600 нм = 600 · 10⁻⁹ м = 6 · 10⁻⁷ м.
2. Выразим частоту из формулы c = λν: ν = c/λ.
3. Вычислим: ν = (3 · 10⁸)/(6 · 10⁻⁷) = 5 · 10¹⁴ Гц.
4. Длина 600 нм относится к видимому свету, ближе к жёлто-оранжевой части спектра.

Ответ: ν = 5 · 10¹⁴ Гц; излучение видимое.

Задача 3. Направление магнитного поля

В точке пространства электрическое поле направлено вертикально, а волна распространяется горизонтально. Векторы E, B и направление движения взаимно перпендикулярны, поэтому магнитное поле должно быть направлено в третьем, оставшемся направлении.

1. Представим, что волна движется вправо, а электрическое поле направлено вверх.
2. Магнитное поле должно быть перпендикулярно и вертикальному полю, и направлению движения.
3. По правилу правой руки получаем: магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка, например от наблюдателя или к наблюдателю в зависимости от согласования направлений.

Ответ: магнитное поле перпендикулярно электрическому полю и направлению распространения; для точного выбора «к наблюдателю» или «от наблюдателя» нужно знать направление движения волны.

Типичные ошибки

Считают, что электромагнитной волне обязательно нужна среда, потому что это верно для механических волн. Ошибка появляется при переносе знакомой модели звука или волн на воде на электромагнитное излучение. Проверка: спросите себя, могут ли радиосигналы и свет идти от Солнца через вакуум.

Путают частоту и период: частота показывает число колебаний за секунду, а период — время одного колебания. Эти величины взаимно обратны: ν = 1/T. Если в ответе у частоты стоят секунды, а у периода герцы, единицы перепутаны.

Используют скорость света c для любой среды без учёта её свойств. В веществе электромагнитная волна обычно движется медленнее, чем в вакууме, поэтому нужно проверить условие задачи. Если указана среда, ищите её скорость или показатель преломления.

Считают, что электрическое и магнитное поля направлены вдоль распространения волны. Для поперечной электромагнитной волны оба поля перпендикулярны направлению движения и друг другу. Проверьте расположение трёх направлений: они должны образовывать взаимно перпендикулярные оси.

Связь с другими темами

Для изучения электромагнитных волн нужны знания о колебаниях, периоде, частоте, длине волны и формуле v = λν. Эти понятия помогают переходить от описания колебаний к расчёту параметров реальной волны.

Тема используется при изучении радиосвязи, оптики, радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Все они являются электромагнитными волнами, но отличаются частотой и длиной волны.

Понятие электромагнитной волны связывает электрические и магнитные явления. Оно подготавливает к изучению электромагнитного спектра и объясняет общность свойств самых разных видов излучения.

Что запомнить

• Электромагнитная волна — это распространение переменного электромагнитного поля.
• Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.
• В вакууме скорость электромагнитных волн равна примерно 3 · 10⁸ м/с.
• Векторы электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны.
• Длина волны, частота и скорость связаны формулой v = λν.
• Электромагнитные волны переносят энергию.
• Электромагнитным волнам свойственны отражение, преломление, интерференция и дифракция.