Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ЭНЕРГИЯ ВОЛНЫ. ВЕКТОР УМОВА – ПОЙНТИНГА



 

Как и механические, волны электромагнитные, переносят энергию. Энергия электромагнитной волны будет складываться из энергии поля электрического и энергии поля магнитного. Одной из энергетических характеристик поля является объемная плотность энергии – количество энергии, накопленной в единице объема электромагнитного поля. Мгновенные значения электрической и магнитной

составляющих этой величины определяются соотношениями:

wэ.п. = и wм.п. = , (5)

где Е и Н мгновенные значения напряжённостей полей. Для суммарной объемной плотности энергии поля получим:

wэ.м.п. = wэ.п. + wм.п. = +

или после преобразования:

wэ.м.п. = + = . (6)

Интенсивность (плотность потока энергии) волны:

. (7)

Учитывая, что скорость величина векторная, можно записать:

. (8)

Величина называется вектором Умова - Пойнтинга. Этот вектор определяет количество энергии, переносимое волной в направлении за единицу времени, через единицу площади поперечного сечения волны.

 

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН


Из теории Максвелла вытекает, что все электромагнитные волны имеют общую природу, но в зависимости от частоты отличаются друг от друга, как механизмом образования, так и по своим свойствам. Это позволяет разделить весь интервал длин волн на отдельные виды (рис.3):

I. радиоволны – λ = 103 ÷ 10-4 м, ν = 3∙105 ÷ 3·1012 Гц.

II. оптический диапазон:

а) инфракрасное (ИК) излучение

– λ = 8·10-7 ÷ 5·10-4 м, ν = 6∙1011 ÷ 3,75·1014 Гц.

 

б) видимый свет

– λ = 4·10-7 ÷ 8·10-7 м, ν = 3,75∙1014 ÷7,5·1014 Гц.

в) ультрафиолетовое (УФ) излучение

– λ = 1·10-9 ÷ 4·10-7 м, ν = 7,5∙1014 ÷ 3·1017 Гц.

 

Ш. рентгеновское излучение

– λ = 6·10-14 ÷ 2·10-9 м, ν = 1,5∙1017 ÷ 5·1019 Гц.

IV. γ - излучение

– λ ‹ 6·10-12 м, ν › 5·1019 Гц.

Следует иметь в виду, что границы диапазонов довольно условны, т.к. волны одной и той же длины могут возникать в разных процессах.

В медицинской практике принято следующее условное деление электромагнитных колебаний на частотные диапазоны: НЧ – до 20 Гц; ЗЧ – 20 Гц ÷ 30 кГц; УЗК – 20 кГц ÷ 200 кГц; ВЧ – 200 кГц ÷ 30 МГц; УВЧ – 30 МГц ÷ 300 МГц; СВЧ – свыше 300МГц.

 

В О Л Н О В А Я О П Т И К А

 

4.1 ВВЕДЕНИЕ

 

Свет как физическое явление имеет двойственную природу. В явлениях излучения, поглощения и взаимодействия с веществом он проявляет себя как поток частиц. Однако распространяется свет как волна. На примере видимого света рассмотрим явления, которые находят объяснение исходя из волновой природы электромагнитных волн.

Источником излучения оптического диапазона являются свободные атомы или атомы в составе молекул, а также быстрые заряженные частицы. Каждая отдельная световая волна рождается при переходе одного из электронов атома с более высокого энергетического уровня на уровень с меньшей энергией. За время перехода (порядка 10-8 с) в пространстве, образуется поперечная электромагнитная волна (цуг) протяжённостью около 3 м. Поперечность электромагнитных волн означает, что оптические свойства материалов должны обладать асимметрией относительно направления распространения. Однако в естественных условиях этого не обнаруживается. Объясняется это тем, что переходы электронов с уровня на уровень происходят одновременно во множестве атомов, повторяясь через произвольные промежутки времени в каждом атоме вновь и вновь. Векторы и каждого отдельного цуга при этом ориентированы в пространстве совершенно случайным образом. Поэтому в результирующей волне, с которой имеет дело наблюдатель, образованной всей совокупностью одновременно испускаемых цугов, все направления колебаний и равновероятны. Такой свет называется естественным.

Сделаем небольшое замечание: т.к. фотохимическое, фотоэлектрическое, физиологическое и другие действия света связаны в основном с воздействием на вещество электрической составляющей электромагнитного поля, то в дальнейшем, при изучении оптических явлений, мы будем пользоваться уравнениями и формулами, описывающими изменения напряженности электрического поля волны. Этот вектор будем называть световым. Конечно все, что мы скажем о векторе справедливо и для напряженности магнитного поля .

 

4.2 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

 

Рассмотрим случай наложения друг на друга двух волн одинаковой частоты, которые возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

 

Е1 = Е01соs(ωt + φ01)

Е2 = Е02соs(ωt + φ02). (9)

 

Сложение этих двух колебаний, согласно принципу суперпозиции, даст результирующее колебание с амплитудой:

 

. (10)

 

Как видно из (10), амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз δφ = φ02 - φ01. Если разность фаз δφпроизвольно и хаотично изменяется, то средняя по времени величина соs(φ02 - φ0 )= 0. Тогда . Принимая во внимание, что интенсивность волны I ~ E2 получим Iр= I1 + I2, т.е. количество энергии переносимое результирующей волной за единицу времени, через единицу площади в данной точке пространства равно сумме интенсивностей (энергий), складываемых волн.

Если разность фаз δφ = φ02 - φ01 колебаний, возбуждаемых волнами в данной точке пространства с течением времени не изменяется, а вектора и параллельны друг другу, то такие волны называются когерентными. Для когерентных волн результат наложения зависит от значения δφ в данной точке.

 

В случае – соs δφ > 0, Iр > I1+ I2.

Еслисоsδφ = 1, и Е1 = Е2 = Е, то Ер = Е12 + Е22 + 2Е1 Е2 = (2Е)2 и Iр= 4I1.

Если соs δφ < 0,то Iр < I1 + I2.

При соs δφ = -1,и Е1 = Е2 = Е – Е2 = Е12 + Е22 - 2Е1 Е2 = 0 и Iр = 0.

 

Таким образом, при наложении когерентных волн происходит перераспределение энергии световых волн, в результате чего в одних местах наблюдается прирост энергии, зато в других уменьшение.

Это явление перераспределения энергии в пространстве, которое происходит при наложении когерентных волн, получило название интерференции.




©2015 studenchik.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.