Световая волна электромагнитная природа световой волны

Электромагнитная природа света

Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения. Изменение цвета происходит в таком порядке:

• красный;
• оранжевый;
• желтый;
• зеленый;
• голубой;
• синий;
• фиолетовый.

Красный свет, который соответствует наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовой границе соответствует фиолетовый свет. Естественный свет не имеет цвета, он представлен в виде суперпозиции электромагнитных волн всего видимого спектра.

Электромагнитная природа света

Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.

Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, в основу оптической физики положены уравнения Максвелла и все соотношения электромагнитных волн, что вытекают из них. В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла $ \frac = \sqrt <\xi \mu>= n$, где $C$ и $V$ — скорости распространения света в среде с магнитной $\mu $ и диэлектрической $\xi $ проницаемостью в вакууме.

Это соотношение связывает электрические, оптические и магнитные постоянные вещества. В соответствии с теорией Максвелла, $\mu $ и $\xi$ — это величины, которые не зависят от длины световой волны, поэтому электромагнитная не теория не может объяснить явление дисперсии, то есть зависимость показателей преломления от длины световой волны.

Значения показателей преломления могут охарактеризовать оптическую плотность среды, а также оптические плотные среды. Длина световой волны с показателем $n$ напрямую связана с длиной волны в вакууме:

Источник

Лекция 12 Электромагнитная природа света

Электромагнитные волны условно делятся на несколько видов по длине волны в вакууме (по частоте):

1. Радиоволны : .

2.1. Инфракрасные волны : .

2.2. Видимый свет: .

2.3. Ультрафиолетовое излучение: .

3. Рентгеновское излучение: .

4. излучение :.

В среде, где фазовая скорость волны (п – показатель преломления среды), длина волны также уменьшается в п раз. Частота ν не зависит от среды.

Волновой оптикой называется круг явлений, в основе которых лежит волновая природа света.

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие свойства света вызываются колебаниями вектора (магнитный вектор световой волны нас не интересует).

Изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, описывается уравнением

.

Для плоской волны в непоглощающей среде , а в сферической волнеубывает как.

Для электромагнитных волн мы уже отмечали, что . Тогда показатель преломления.

Для подавляющего большинства прозрачных веществ . Поэтому можно считать, что

.

Необходимо отметить, что сильно зависит от частоты. Например, для воды из электростатических измерений получаем, а. Подстановка в формулузначения, полученного для соответствующей частоты, приводит к правильному значению.

Зависимость от частоты объясняет дисперсию света, т.е. зависимость показателя преломления среды (или скорости света в данной среде) от частоты. Среда с большимназываетсяоптически более плотной.

Частота изменения вектора плотности потока энергии, переносимой волной в два раза выше частоты самой световой волны, которая и так очень велика. Поэтому любой приёмник световой волны может регистрировать только усреднённый по времени поток.

Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной (модуль среднего вектора Пойнтинга) носит название интенсивности света I в данной точке пространства:

.

Измеряется интенсивность света либо в энергетических единицах (Вт/м 2 ), либо в световых (лм/м 2 – люмен на метр квадратный).

Так как , то легко получить, т.е.интенсивность света пропорциональна показателю преломления среды и квадрату амплитуды световой волны (коэффициент пропорциональности ). В однородной среде.

Отражение и преломление плоской световой волны на границе двух диэлектриков

Пусть диэлектрик, в котором распространяется падающая волна, характеризуется диэлектрической проницаемостью , а второй диэлектрик –. Считаем, что. Опыт показывает, что в этом случае, кроме распространяющейся во втором диэлектрике плоской преломлённой волны, возникает плоская отражённая волна, распространяющаяся в 1-ом диэлектрике.

волновой вектор падающей волны;

волновой вектор отражённой волны;

волновой вектор преломлённой волны.

Плоскость, в которой лежат векторы и, называется плоскостью падения волны. Из соображений симметрии ясно, что векторыимогут лежать лишь в плоскости падения.

В первой среде на поле падающей волны () накладывается поле отражённой волны (), а во второй среде имеется поле только преломлённой волны ().

Анализ показывает, что при падении на гладкую плоскую поверхность раздела двух сред плоской монохроматической волны, выполняются (независимо от характера поляризации этой волны) следующие законы отражения и преломления электромагнитных волн:

1. Отражённая и преломлённая волны также являются монохроматическими волнами той же частоты, что и падающая. Вектор всегда сонаправлен с вектором. Оба вектора колеблются синфазно. При прохождении через границу раздела фаза не претерпевает скачок.

2. Закон отражения – отражённый луч лежит в плоскости падения, причём угол отражения равен углу падения

.

3. Закон преломления – преломлённый луч лежит в плоскости падения, а угол преломления связан с углом падения соотношением

(или ).

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную луч удаляется от нормали к поверхности раздела сред. Увеличение угла падения сопровождается более быстрым ростом угла преломленияи по достижении угломпредельного значения

при .

Энергия, которую несёт с собой падающий луч, распределяется между отражённым и преломлённым лучами. По мере увеличения угла интенсивность отражённого луча растёт, а интенсивность преломлённого луча убывает, обращаясь в нуль при предельном угле. Присветовая волна проникает во вторую среду на расстояниеи затем возвращается в 1-ую среду. Это явление называетсяполным внутренним отражением.

При отражении световой волны от границы раздела среды, оптически более плотной, со средой, оптически менее плотной (), фаза колебаний светового вектора скачком претерпевает изменения на. При отражении от границы раздела среды, оптически менее плотной, со средой, оптически более плотной (), такого изменения фазы колебаний не происходит.

Интенсивность падающей волны равна сумме интенсивностей отражённой и преломлённой волн (закон сохранения энергии)

.

Коэффициент отражения —

.

Коэффициент пропускания —

.

Легко убедиться, что .

Угол падения, при котором отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны, называется углом Брюстера ..

Источник

28)Электромагнитная природа света.

Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном частот (или длин волн =c/, где с — скорость электромагнитных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и регистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучения (табл.5).

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны

Как уже указывалось (см. § 161), одним из важнейших следствий уравнений Максвелла (см. § 139) является существование электромагнитных воли. Можно показать, что для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электромагнитного поля удовлетворяют волновому уравнению типа (154.9):

(162.1)

(162.2)

где — оператор Лапласа, v — фазовая скорость.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некото­рую волну. Следовательно, электромагнитные поля действительно могут существовать в виде электромагнитных волн. Фазовая скорость электромагнитных воли определяет­ся выражением

(162.3)

где с = , и — соответственно электрическая и магнитная постоянные,  и  — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме (при =1 и =l) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как  > 1, то скорость распространения электромагнит­ных воли в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде (см. (162.3)), получим модуль плотности потока энергии:

Tax как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ЕН] совпада­ет с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова — Пойнтинга:

Вектор S направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.

Для электромагнитных волн характерно явление дифракции — огибания волнами различных препятствий.

Электромагнитные волны сантиметрового и миллиметрового диапазонов, встречая на своем пути преграды, отражаются от них. Это явление лежит в основе радиолока­ции — обнаружения предметов (например, самолетов, кораблей и т. д.) на больших расстояниях и точного определения их положения.

Показа́тель преломле́ния вещества — величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде n=c/U . Также о показателе преломления говорят для любых других волн, например, звуковых.

Показатель преломления можно выразить как корень из произведения магнитной и диэлектрических проницаемостей среды

Источник