Электромагнитные волны

Упругие волны

Упругими волнами называется процесс распространения механических колебаний в вещественной среде. Условием их распространения является наличие упругой связи частиц в среде: выведение из равновесия одной частицы сказывается на другой и т.д., так что в следствие упругой связи возмущение передается от одной частицы к другой. Возможны два типа механических волн: поперечные и продольные. Поперечные волны возможны в среде, оказывающей сопротивление сдвигу, обладающей упругостью формы т.е. в твердом теле. Продольные упругие волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной.

Среди упругих волн особую роль играют звуковые волны. Звук – продольные механические волны. Звук распространяется в любой среде. В вакууме звуковые волны не распространяются. В воздухе при нормальных условиях скорость звука приблизительно равна 340 м/с, а в воде – 1500 м/с. Звуки принято характеризовать громкостью и высотой тона. Эти характеристики определяются соответственно амплитудой и частотой звуковой волны.

Человек слышит звук с частотами от 16 до 20 000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком (содержится в шуме атмосферы, леса и моря), выше 20 000 Гц -ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²-10¹³ Гцотносят к гиперзвуку.

 

В теории электромагнитного поля Максвелл предсказал возможность распространения переменного электромагнитного поля в пространстве (в т.ч. и в вакууме) в виде электромагнитной волны. Теоретически полученное численное значение скорости этих волн в вакууме совпало с экспериментально определенной скоростью света, что позволило сделать вывод об электромагнитной природе света. Электромагнитные волны могут иметь различные значения длины волны (частоты). Исторически принято выделять шесть диапазонов электромагнитного излучения, которые обычно перечисляются в порядке убывания длины волны, образуя шкалу электромагнитных волн (таблица 3.1).

Таблица 3.1.

Шкала электромагнитных волн

Вид электромагнитных волн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длины волны, м
Радиоволны	0,3*104 - 0,5*1012	0,6*10-4 - 105
Инфракрасное излучение	5*1012 - 4*1014	0,8*10-6 - 0,6*10-3
Видимый свет	0,4*1014 - 0,8*1014	0,4*10-6 - 0,8*10-6
Ультрафиолетовое излучение	0,8*1014 - 0,5*1017	0,6*10-8 - 0,4*10-6
Рентгеновское излучение	0,7*1016 - 0,6*1020	0,5*10-11 - 0,2*10-7
Гамма-излучение	более 0,6*1019	Менее 0,5*10-10

 

Природа электромагнитных волн едина: это поперечные волны, в которых происходят согласованные колебания напряженности электрического и индукции магнитного полей, но различие частоты (длины волны) существенным образом влияют на свойства волн. Например, радиоволны практически не оказывают вредного воздействия на живые организмы, при распространении длинные радиоволны способны огибать поверхность Земного шара, а гамма-излучение губительно для живого и распространяется строго прямолинейно.

Скорость любых электромагнитных волн в вакууме одинакова и равна с = 3*10⁸ м/с, а при их распространении в среде уменьшается. Величина, характеризующая оптические свойства среды и равная отношению скорости света в вакууме (с) к скорости света в данной среде (υ), называется показателем преломления среды (n):

; (3.9)

где n – показатель преломления среды.

Для воды n=1,33 , и, соответственно, скорость света υ=2,2*10⁸ м/с. Чем больше показатель преломления, тем оптически более плотной является среда.