Электромагнитные волны

Из электродинамики известно, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, переменное магнитное поле в свою очередь создает переменное электрическое поле. Распространение полей такого рода называется электромагнитной волной.

Электромагнитные волны описываются уравнениями Максвелла, из которых можно получить уравнения для векторов E и H

(1)

E и H являются составляющими электромагнитной волны, фазовая скорость которой

(2)

В вакууме (ε=μ=1) эта скорость совпадает со скоростью света в вакууме с.

Решениями уравнения (2) является плоская волна

(3)

Здесь k=ω/v, в вакууме k=ω/c.

Рис. 1

На рис. 1. показана «моментальная фотография» плоской электромагнитной волны. На рисунке видно, что векторы E и H образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему. В фиксированной точке пространства векторы E и H изменяются со временем по гармоническому закону. Они одновременно увеличиваются от нуля, затем через 1/4 периода достигают наибольшего значения, причем, если Е направлен вверх, то Н направлен вправо (смотрим вдоль направления, по которому распространяется волна). Рис. 1.

Еще через 1/4 периода оба вектора одновременно обращаются в нуль. Затем опять достигают наибольшего значения, но на этот раз E направлен вниз, а H влево. И, наконец, по завершении периода колебания векторы снова обращаются в нуль. Такие изменения векторов E и H происходят во всех точках пространства, но со сдвигом по фазе, определяемым расстоянием между точками, отсчитанными вдоль оси х.

Заметим, что фазовая скорость не передает сигнала. Для передачи сигнала необходимо на волне создать некий импульс, который можно представить как суперпозицию (наложение) волн. Такой сигнал передается со скоростью

называемой групповой скоростью. Зависимость показателя преломления среды от длины волны света в среде называется дисперсией света. Эта зависимость приводит к таким ярким проявлениям дисперсии света как разложение белого света на цвета, при преломлении света на неоднородных поверхностях (таких как призма).

Световая волна

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой колеблются векторы E и H. Наибольший вклад во многих процессах с участием световой волны дает электрическая составляющая E, уравнение для которой записано в первом выражении (3).

Абсолютным показателем преломления среды называется отношение

где с — скорость света, а v — фазовая скорость света в среде.

Длины волн видимого света заключены в пределах

Соответствующие частоты

Длина волны в среде с показателем преломления n связана с длиной волны в вакууме

λ = λ₀/n.