Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме со скоростью света

Электромагнитные волны

Электромагни́тные во́лны, переменное пространственно-временное электромагнитное поле , распространяющееся в свободном пространстве ( бегущие электромагнитные волны ) или сосредоточенное в ограниченном пространстве ( стоячие электромагнитные волны , являющиеся наложением двух электромагнитных волн с равными амплитудами , бегущих навстречу друг другу).

Существование электромагнитных волн теоретически обосновано Дж. К. Максвеллом в 1865 г. как математическое следствие уравнений Максвелла ; при этом Максвелл установил, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью света , и предположил, что свет как физическое явление представляет собой электромагнитные волны. Экспериментально электромагнитные волны, обладающие предсказанными Максвеллом свойствами, были обнаружены в 1888 г. в опытах Г. Герца , сконструировавшего лабораторные излучатели и приёмники электромагнитных волн. Основываясь на экспериментах Герца, А. С. Попов и Г. Маркони разработали и создали устройства радиосвязи . Первая в мире радиотелеграфная передача была осуществлена А. С. Поповым в 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества ; им был передан текст: «Heinrich Hertz» (Генрих Герц), который был принят в находящемся на расстоянии 250 м соседнем помещении.

Электромагнитные волны могут самоподдерживаться в пространстве, свободном от источников электрического и магнитного полей ( электрических зарядов и электрических токов ), т. к. переменное магнитное поле является источником переменного электрического поля ( электромагнитная индукция ), а переменное электрическое поле (максвелловский ток смещения ) является источником переменного магнитного поля.

В однородной среде без источников напряжённость электрического поля E \boldsymbol E E и индукция магнитного поля B \boldsymbol B B в электромагнитной волне подчиняются волновым уравнениям , вытекающим из уравнений Максвелла и имеющим вид (в декартовой системе координат Oxyz):

∂ 2 E ∂ x 2 + ∂ 2 E ∂ y 2 + ∂ 2 E ∂ z 2 = 1 v 2 ∂ 2 E ∂ t 2 , ∂ 2 B ∂ x 2 + ∂ 2 B ∂ y 2 + ∂ 2 B ∂ z 2 = 1 v 2 ∂ 2 B ∂ t 2 , ( 1 ) \displaystyle\frac<\partial^2E><\partial x^2>+\frac<\partial^2E><\partial y^2>+\frac<\partial^2E><\partial z^2>=\frac\frac<\partial^2E><\partial t^2>, \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \\ \\ \displaystyle\frac<\partial^2B><\partial x^2>+\frac<\partial^2B><\partial y^2>+\frac<\partial^2B><\partial z^2>=\frac\frac<\partial^2B><\partial t^2>, \qquad(1) ∂ x 2 ∂ 2 E ​ + ∂ y 2 ∂ 2 E ​ + ∂ z 2 ∂ 2 E ​ = v 2 1 ​ ∂ t 2 ∂ 2 E ​ , ∂ x 2 ∂ 2 B ​ + ∂ y 2 ∂ 2 B ​ + ∂ z 2 ∂ 2 B ​ = v 2 1 ​ ∂ t 2 ∂ 2 B ​ , ( 1 ) где v v v – фазовая скорость электромагнитной волны: v = c ε μ v=c\sqrt v = c ε μ

​ ( ε ε ε и μ μ μ – диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость среды соответственно), с с с – скорость света в вакууме, t t t – время. В средах без дисперсии ( ε ε ε и μ μ μ не зависят от частоты электромагнитной волны) фазовая скорость совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны. В дисперсионных средах энергия электромагнитной волны распространяется с групповой скоростью , при этом фазовая скорость такой электромагнитной волны может быть как меньше, так и больше предельной скорости распространения любого физического взаимодействия – скорости света в вакууме.

Максвелл показал, что при своём распространении электромагнитные волны переносят энергию , плотность потока которой определяется вектором Пойнтинга , и импульс . Изменение импульса электромагнитной волны при поглощении или отражении от поверхности создаёт силу, действующую на эту поверхность и обусловливающую давление электромагнитной волны. Давление света на отражающую и поглощающую поверхность, соответствующее теории Максвелла, было впервые экспериментально подтверждено в 1899 г. в опытах П. Н. Лебедева . Утверждение Максвелла о том, что свет является электромагнитными волнами, позволило объяснить ранее установленные законы оптики – законы преломления света , отражения света, полного внутреннего отражения света , поляризации света , формулы Френеля и т. д.

Важным частным решением волновых уравнений (1) является бегущая плоская монохроматическая электромагнитная волна:

E ( r , t ) = E 0 cos ⁡ ( ω t − k r ) , B ( r , t ) = B 0 cos ⁡ ( ω t − k r ) , E\left(r,t\right)=E_0 \cos \left(\omega t-kr\right), \\ B\left(r,t\right)=B_0 \cos \left(\omega t-kr\right), E ( r , t ) = E 0 ​ cos ( ω t − k r ) , B ( r , t ) = B 0 ​ cos ( ω t − k r ) , где E 0 \boldsymbol E_0 E 0 ​ и B 0 \boldsymbol B_0 B 0 ​ – амплитуды напряжённости электрического и индукции магнитного полей электромагнитной волны соответственно; ω = 2 π T \displaystyle\omega=\frac<2\pi> ω = T 2 π ​ – круговая частота ( T T T – временной период волны); r – радиус-вектор точки наблюдения волны; k – волновой вектор , направление которого в изотропной среде совпадает с направлением распространения электромагнитной волны, а модуль этого вектора – волновое число k = ω v = 2 π λ \displaystyle k=\frac<\omega>=\frac<2\pi> <\lambda>k = v ω ​ = λ 2 π ​ ( v v v и λ λ λ – частота и длина электромагнитной волны соответственно) – пространственный период электромагнитной волны в среде. Плоскими волны называют потому, что поверхности равной фазы, удовлетворяющие уравнению ω t − k r = c o n s t \omega t-kr=const ω t − k r = co n s t , являются геометрическими плоскостями; в сферической волне поверхности равной фазы являются концентрическими сферами. Плоская электромагнитная волна является поперечной , в ней векторы E \boldsymbol E E и B \boldsymbol B B колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях, перпендикулярно волновому вектору k, с которым они образуют правую тройку векторов . Амплитуды электрической и магнитной частей плоской электромагнитной волны связаны соотношением E 0 = v B 0 E_0=vB_0 E 0 ​ = v B 0 ​ . Произвольная электромагнитная волна может быть представлена как результат наложения плоских электромагнитных волн с различными амплитудами, частотами и волновыми векторами (разложение по плоским волнам).

Шкала электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. По длинам волн электромагнитные волны разделяют на диапазоны, связанные с особенностями генерации и детектирования электромагнитных волн в каждом из них: радиоволны , терагерцевое излучение , оптическое излучение ( инфракрасное , видимый свет , ультрафиолетовое ), рентгеновское излучение и гамма-излучение (рисунок).

Терагерцевый диапазон электромагнитных волн (1–30 мкм), расположенный между микроволновым радиодиапазоном и инфракрасным диапазоном длин волн, начал интенсивно осваиваться с 1990-х гг. 20 в. Терагерцевое излучение, как и рентгеновское, обладает проникающей способностью, но является безопасным для здоровья человека. В терагерцевом диапазоне расположены спектры поглощения сложных органических молекул (молекул белков, ДНК ), взрывчатых веществ и др., что позволяет методами неразрушающего контроля определять не только форму и внутреннее строение, но и химический состав исследуемых объектов.

Опубликовано 13 января 2023 г. в 21:43 (GMT+3). Последнее обновление 13 января 2023 г. в 21:43 (GMT+3). Связаться с редакцией

Могут ли электромагнитные волны распространяться в вакууме?

Согласно BBC, электромагнитные волны могут свободно перемещаться в вакууме, поскольку им не нужно проходить через материю. Фактически, хотя существует небольшая разница между скоростями, электромагнитные волны распространяются быстрее в в вакууме, чем в материи.

Электромагнитный спектр состоит из волн различной длины, которые движутся со скоростью света (примерно 186 000 миль в час в вакууме). Длина волны определяется частотой, при этом более высокие частоты имеют меньшую длину волны, и наоборот. Электромагнитные волны более высокой частоты включают гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовые лучи. К низкочастотным электромагнитным волнам относятся инфракрасное излучение, радиоволны и микроволны.

Похожие посты

Другие интересные посты

Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Волновые свойства света. Различные виды электромагнитных излучений и их практическое применение

Дж. Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. В пространстве, где существует переменное магнитное поле, возбуждается переменное электрическое поле, и наоборот.

Электромагнитное поле – один из видов материи, характеризуемый наличием электрического и магнитного полей, связанных непрерывным взаимным превращением.

Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Эти волны излучаются колеблющимися заряженными частицами, которые при этом движутся в проводнике с ускорением. При движении заряда в проводнике создается переменное электрическое поле, которое порождает переменное магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызывает появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с течением времени, называется электромагнитной волной .

Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме или любом другом веществе. Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света c=3·10 8 м/с. В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Электромагнитная волна переносит энергию.

Электромагнитная волна обладает следующими основными свойствами: распространяется прямолинейно, она способна преломляться, отражаться, ей присущи явления дифракции, интерференции, поляризации. Всеми этими свойствами обладают световые волны, занимающие в шкале электромагнитных излучений соответствующий диапазон длин волн.

Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной. Посмотрев на шкалу электромагнитных волн с указанием длин волн и частот различных излучений, мы различим 7 диапазонов: низкочастотные излучения, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

• Низкочастотные волны. Источники излучения: токи высокой частоты, генератор переменного тока, электрические машины. Применяются для плавки и закалки металлов, изготовление постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.
• Радиоволны возникают в антеннах радио- и телевизионных станций, мобильных телефонах, радарах и т. д. Применяются в радиосвязи, телевидении, радиолокации.
• Инфракрасные волны излучают все нагретые тела. Применение: плавка, резка, сварка тугоплавких металлов с помощью лазеров, фотографирование в тумане и темноте, сушка древесины, фруктов и ягод, приборы ночного видения.
• Видимое излучение. Источники — Солнце, электрическая и люминесцентная лампа, электрическая дуга,лазер. Применяется: освещение, фотоэффект, голография.
• Ультрафиолетовые излучение. Источники: Солнце, космос, газоразрядная (кварцевая) лампа, лазер. Оно способно убивать болезнетворные бактерии. Применяется для закаливания живых организмов.
• Рентгеновское излучение. Источник: солнечная корона, трубка Рентгена. Применяется в медицине для диагностики и лечения заболеваний (рентгенография), в технике для контроля внутренних структур деталей, сварных швов (дефектоскопия).
• Гамма-излучение. Источники: космос, радиоактивные распад. Применяется в промышленности (дефектоскопия), в медицине (терапия и диагностика), в исследовании ядерных процессов, в военном деле.

Могут ли радиоволны распространяться в пустоте?

Конечно, могут. В пустоте или вакууме они будут распространяются со скоростью света.
Это электромагнитные волны с частой от 3 кГц до 3 ТГц, которые распространяются везде (в том числе от земли к космическому аппарату, способны огибать различные препятствия и т. д.). Дальность распространения зависит от мощности их источника, в качестве которых выступают астрономические объекты, молнии или электрический проводник.

Комментировать
Комментарии 0
6 лет назад

Для людей XX столетия уже настало будущее, когда человечество по полной использует радиоволны в повседневной жизни. Крайне интересно ответить на вопрос по поводу радиоволн и разобраться, могут ли они распространятся в абсолютной пустоте.

Что такое радиоволны

Термин «радиоволна» означает такую электромагнитную волну, которая имеет ограничение в плане частоты на отметке в три тысячи ГГц. Их спектр действия очень велик, они могут колебаться как на очень низких частотах, так и доходить до инфракрасного диапазона. Вообще, к этому определению можно отнести все волны, которые действуют в электромагнитном поле в разной аппаратуре. Распространение волн сопоставимо со скоростью света. Несмотря на то, что люди искусственно используют все характеристики радиоволн, они также присутствуют и в природе сами по себе. Так, их действие можно встретить, например, при ударе молнии. А для человека использование волн обусловлено в:

• спутниковой связи;
• мобильной радиосвязи;
• аппаратуре радиовещания и радиолокации;
• организации компьютерных сетей (беспроводных, как wifi и т.д.).

Классификация радиоволн осуществляется по большому ряду разных признаков.

Распространение радиоволн

Под этим понимается перенос энергии в радиочастотном диапазоне. Для того, чтобы направленно передвигались радиоволны, используют разные волноводы, также антенны и, конечно, кабеля. Вообще, такое явление, как распространение радиоволн, может наблюдаться в воде и даже в техногенных ландшафтах. Распространяются эти волны на атмосферу, на поверхность Земли и даже на околоземное пространство.

Если речь идет о вакууме, когда говорят о пустоте, то, конечно же, радиоволны могут распространятся в его пределах. К тому же, скорость распространения будет точно такая же, как и в нормальных условиях, и никакие свойства не будет утеряны (дифракция, интерференция и поляризация). Учитывая, что люди исследуют распространение волн даже в далеком безвоздушном космосе, то логично, что в пустоте такое явление имеет место быть.