Понятие электромагнитной волны.

Как известно, электромагнитные поля определяются путём задания в каждой точке пространства четырёх векторов:

а) вектора напряжённости электрического поля ;

б) вектора напряжённости магнитного поля ;

в) вектора электрического смещения ;

г) вектора магнитной индукции .

Эти векторы не являются независимыми. Попарно векторы , а также связаны друг с другом с помощью материальных уравнений. Наиболее простой вид материальные уравнения имеют для однородных изотропных сред, относительные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей которых имеют постоянные значения для любой точки наблюдения электромагнитного поля:

(1.1a)

Вектора в общем случае зависят как от координат точки наблюдения так и от времени и могут быть найдены из системы уравнений Максвелла, решениями которой они являются:

(1.1b)

В этих уравнениях: - коэффициент удельной электропроводности среды, в которой рассматривается электромагнитное поле, - напряженность электрического поля сторонних источников , - объемная плотность сторонних электрических зарядов; - плотность токов проводимости.В дальнейшем будем называть сторонними токами, такие токи, которые вызываются электрическими полями сторонних источников, причём, их плотность может быть вычислена по формуле: . Отметим, что для полей независящих от времени . В этом случае система (1.1b) распадается на две независимые системы: а) систему уравнений электростатики, определяющую постоянные во времени поля , и б) систему уравнений магнитостатики, определяющую постоянные во времени поля . Для электромагнитных полей, зависящих от времени из системы уравнений Максвелла (1.1b) следует взаимосвязь изменения их электрических и магнитных полей . Наиболее просто в этом убедиться, если рассматривать зависящее от времени электромагнитное поле в среде, в которой нет сторонних зарядов, сторонних токов , плотность которых может быть вычислена по формуле , и отсутствует проводимость ( ) .Таким условиям соответствует электромагнитное поле в вакууме, в котором отсутствуют источники сторонних токов и зарядов. Очень близкими свойствами обладает сухой воздух, проводимостью которого в обычных условиях можно пренебречь. В этом случае первые два уравнения системы (1.1a) связывают между собой изменение в пространстве и времени электрического и магнитного полей. Отсюда следует основное свойство зависящих от времени электромагнитных полей, состоящее в согласованности изменения электрического и магнитного поля. Так, при изменении во времени электрического поля возникает изменяющееся в пространстве переменное магнитное поле, которое приводит к появлению меняющегося в пространстве электрического поля. И, наоборот, при изменении во времени магнитного поля возникает изменяющееся в пространстве переменное электрическое поле, которое приводит к появлению меняющегося в пространстве магнитного поля. Физическая причина такой взаимосвязи является следствием закона электромагнитной индукции и наличием тока смещения, связывающих между собой электрическое и магнитное поля. Причём, взаимосвязь электрических и магнитных полей имеет место даже в отсутствии сторонних токов и зарядов, являющихся источниками электромагнитного поля. Процесс согласованного изменения электрического и магнитного полей в пространстве и времени, при распространении электромагнитного возмущения из одной точки пространства в другую, получил название электромагнитной волны. Источниками электромагнитных волн, как это следует из системы уравнений Максвелла (1.1b), являются меняющиеся во времени сторонние токи и заряды. Исследование процесса излучения электромагнитных полей меняющимися во времени сторонними токами и зарядами будет более рассмотрено подробно в главе 2. Существование электромагнитных волн впервые было предсказано английским физиком М.Ф. Фарадеем в 1832г. В 1865г. английский физик Дж. К. Максвелл теоретически показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Подтверждение открытых свойств электромагнитных волн и обширные их экспериментальные исследования было сделано немецким физиком Г. Герцем (1887-1888). В ходе экспериментальных исследований свойств электромагнитных волн Г. Герц обнаружил, что законы распространения электромагнитных волн и света одинаковы. В частности, у них одинаковый характер преломления и отражения от диэлектрических и металлических тел. Часть из этих опытов мы изложим в дальнейшем по мере более детального изучения электромагнитных волн и оптики.