ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ электромагнитные
колебания,
распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.
Существование Э. в. было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл
в
1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными
в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света с во
все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения
Э. в. в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет
собой Э. в. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в
опытах Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения.

Теория Максвелла позволила единым образом
подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и
гамма-излучения.
Оказалось, что это не излучения различной природы, а Э. в. с различной
длиной волны. Частота со колебаний электрич.
Е
и магнитного Н полей
связана с длиной волны Л соотношением: Л = 2лс/шо. Радиоволны, рентгеновские
лучи и у-излучение находят своё место в единой шкале Э. в. (рис.), причём
между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резкой границы.

Особенности Э. в., законы их возбуждения
и распространения описываются Максвелла уравнениями.
Если в какой-то
области пространства существуют электрич. заряды е
и токи /, то
изменение их со временем t приводит к излучению
Э. в. На
скорость распространения Э. в. существенно влияет среда, в к-рой они распространяются.
Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия
волн,
вблизи неоднородностей наблюдаются
дифракция
волн, интерференция
волн
(прямой и отражённой), полное внутр. отражение и др. явления, свойственные
волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных
полей, временные зависимости
E(t) и
H(t), определяющие тип
волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. Поляризация
волн) и др. особенности Э. в. задаются, с одной стороны, характером
источника излучения, и с другой - свойствами среды, в к-рой они распространяются.
В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих
электромагнитное поле, ур-ния Максвелла, приводят к волновым ур-ниям:

описывающим распространение плоских монохроматич.
Э. в.:

Здесь е - диэлектрическая проницаемость,
ц
- магнитная проницаемость среды, Ео и Но - амплитуды колебаний электрич.
и магнитных полей, со - частота этих колебаний, ф - произвольный сдвиг
фазы, k - волновой вектор, r - радиус-вектор точки; V²
- Лапласа оператор.

Если среда неоднородна или содержит поверхности,
на к-рых изменяются её электрич. либо магнитные свойства, или если в пространстве
имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может
существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Э. в. могут
распространяться вдоль направляющих поверхностей (п о-верхностные волны),
в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками
(см. Радиоволновод, Световод, Квазиоптика).

Характер изменения во времени
Е
и
Н
определяется законом изменения тока / и зарядов е,
возбуждающих
Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует l(t)
или e(t).
Она
в точности повторяет форму тока только в случае, если и Э. в. распространяются
в линейной среде (электрич. и магнитные свойства к-рой не зависят от Я
и Н). Простейший случай - возбуждение и распространение Э. в. в
однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода
длиной / <<Л, по к-рому протекает ток I - Isin
шt). На расстоянии от диполя много большем \ образуется волновая
зона (зона излучения), где распространяются сферич. Э. в. Они поперечные
и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения
поляризации (см. Излучение и приём радиоволн).

В изотропном пространстве скорость распространения
гармонич. Э. в., т. е. фазовая скорость

При наличии дисперсии скорость переноса
энергии с (групповая скорость) может отличаться от v.
Плотность
потока энергии S, переносимой Э. в., определяется Пойн-тинга вектором:
S = (с/4л) [ЕН]. Т. к. в изотропной среде векторы
Е а Н ч
волновой
вектор образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения
Э. в. В анизотропной среде (в т. ч. вблизи проводящих поверхностей) S может
не совпадать с направлением распространения Э. в.

Появление квантовых генераторов, в частности
лазеров,
позволило достичь напряжённости электрич. поля в Э. в., сравнимых с
внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При
распространении Э. в. в нелинейной среде (е и ц зависят от Е
и Н)
её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э.
в. они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается.
Напр., после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина
к-poro определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная
волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывы)
с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная
Э. в. далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание
резких изменений обусловлено гл. обр. затуханием. Большинство нелинейных
сред, в к-рых Э. в. распространяются без сильнсго поглощения, обладает
значит, дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование
ударных волн возможно лишь в диапазоне Л от неск. см до длинных
волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники
распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы
исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие
их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных
законах дисперсии (см. Нелинейная оптика, Параметрические генераторы
света).

Э. в. различных диапазонов Л характеризуются
различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют
с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения Э. в. от самых длинных
волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями
электродинамики.
На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно
квантовую природу, а в оптич. диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских
и у-лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны только на основе
представлений о дискретности этих процессов.

Квантовая теория поля
внесла существенные
дополнения и в само представление об Э. в. Во многих случаях электромагнитное
излучение ведёт себя не как набор монохроматич. Э. в. с частотой со и волновым
вектором k, а как поток квазичастиц - фотонов
с энергией
&
= hш и импульсом р = hш/c = hk
(h - Планка
постоянная). Волновые свойства проявляются, напр., в явлениях дифракции
и интерференции, корпускулярные - в фотоэффекте
и Комптона эффекте.

Лит.: Т а м м И. Е., Основы теории
электричества, 9 изд., М., 1976; Л а н д а у Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М.,
Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); и х ж е, Электродинамика
сплошных сред, М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976. В.
В. Мшулин.