Физический энциклопедический словарь - электромагнитное поле

определяются неоднозначно, с точностью до калибровочного преобразования (см. Потенциалы электромагнитного поля). В среде Э. п. характеризуется дополнительно двумя вспомогат. величинами: напряжённостью магн. поля Н и электрич. индукцией D.

Э. п. изучает классич. электродинамика; в произвольной среде оно описывается Максвелла уравнениями, позволяющими определить поля в зависимости от распределения зарядов и токов. Микроскопич. Э. п., созданные отд. элем. ч-цами, характеризуются напряжённостями микроскопич. полей: электрич. поля е и магнитного h. Их ср. значения связаны с макроскопич. хар-ками Э. п. след. образом: е^~=Е h^~=B Микроскопич. поля удовлетворяют Лоренца — Максвелла уравнениям.

Э. п. неподвижных или равномерно движущихся заряж. ч-ц неразрывно связано с этими ч-цами; при ускоренном движении ч-ц Э. п. «отрывается» от них и существует независимо в форме эл.-магн. волн (см. Излучение).

Порождение Э. п. перем. магн. полем и магн. поля переменным электрическим приводит к тому, что электрич. и магн. поля не существуют обособленно, независимо друг от друга. Компоненты векторов, характеризующих Э. п., образуют, согласно относительности теории, единую физ. величину — тензор Э. п., элементы к-рого преобразуются при переходе от одной инерц. системы отсчёта к другой в соответствии с Лоренца преобразованиями.

При больших частотах Э. п. становятся существенными его квантовые (дискретные) св-ва, и Э. п. можно рассматривать как поток квантов поля — фотонов. В этом случае классич. электродинамика неприменима, и Э. п. описывается квантовой электродинамикой.

• Т а м м И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики); Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, 2 изд., [в. 5—7], М., 1977; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959.

Г. Я. Мякишев.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ,

электромагнитные колебания, распространяющиеся в пр-ве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано англ. физиком М. Фарадеем в 1832. Англ. физик Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что эл.-магн. колебания распространяются в вакууме со скоростью света. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах нем. физика Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения. Теория Максвелла позволила установить, что радиоволны, свет, рентгеновское и гамма-излучения представляют собой Э. в. с различной длиной

874

СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

волны  (см. табл.), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резких границ (рис.). Частота  колебаний связанных электрич. Е и магнитного Н полей связана с  соотношением: =c/.

Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями. Если в какой-то области пр-ва существуют электрич. заряды е и токи I, то изменение их. со временем t приводит к излучению Э. в. На характер 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, полное внутреннее отражение и др. явления, свойственные волнам любой природы. Пространств. распределение эл.-магн. полей, временные зависимости E(t) и H(t), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и др. особенности Э. в. задаются, с одной стороны, хар-ром источника излучения, с другой -св-вами среды, в к-рой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создающих эл.-магн. поле, ур-ния Максвелла приводят к волновым уравнениям

описывающим, в частности, распространение плоских монохроматич. Э. в.:

Здесь  — диэлектрическая,  — магн. проницаемости среды, Е0 и H0 — амплитуды колебаний электрич. и магнит. полей, =2 — круговая частота этих колебаний,  — произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор, r — радиус-вектор точки;  — оператор Лапласа

(EH k, H0 =(/)E0).

Если среда неоднородна или содержит поверхности, на к-рых изменяются её электрич. либо магн. св-ва, или если в пр-ве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может существенно отличаться от плоской линейно поляризованной волны. Э. в. могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях, в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. Радиоволноводы, Световод), в квазиоптич. линиях (см. Квазиоптика).

Хар-р изменения во времени Е и Н определяется законами изменения тока I(t) и зарядов e(t), возбуждающих Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует I (t) или e(t). Она в точности повторяет форму тока только в случае линейной среды, если I=I0sint. Т. к. волны любой формы можно представить в виде суммы гармонических составляющих, то для линейных сред, для которых справедлив суперпозиции принцип, все задачи излучения, распространения и поглощения Э. в. произвольной формы сводятся к решению задач для гармонич. Э. в. В изотропном пр-ве скорость распространения гармонич. Э. в., т. е. фазовая скорость v=c(). При наличии дисперсии скорость переноса энергии vгр (групповая скорость) может отличаться от v. Плотность по-

тока энергии, переносимой Э. в., определяется Пойнтинга вектором S= (c/4)[EH]. Т. к. в изотропной среде векторы Е, Н и k 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.

Простейшим излучателем Э. в. явл. электрич. диполь — отрезок проводника длиной 1<< по к-рому протекает ток i=i0 sint. На расстоянии от диполя r>> образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферич. волны (см. Антенна).

Создание мощных источников радиоволн во всех диапазонах, а также появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволило достичь напряжённости электрич. поля в Э. в., существенно изменяющих св-ва сред, в к-рых происходит их распространение. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При распространении Э. в. в нелинейной среде ( и  зависят от Е и Н) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э. в. они обогащаются высшими гармониками и их форма постепенно искажается (см. Нелинейная оптика). Напр., после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина к-рого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывами) с их послед. плавным возвращением к первонач. величинам. Большинство нелинейных сред, в к-рых Э. в. распространяются без сильного поглощения, обладает значит. дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне X от неск. см до длинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с разл. скоростью, и существ. искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и вз-ствие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии (см. Параметрический генератор света).

Э. в. разл. диапазонов  характеризуются разл. способами возбуждения и регистрации. Они по-разному взаимодействуют с в-вом. 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 -лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны

875

только на основе представлений о дискретности этих процессов. Во многих случаях эл.-магн. излучение ведёт себя не как набор монохроматич. Э. в. с частотой  и волн. вектором k, а как поток квазичастиц — фотонов с энергией ћ и импульсом p=ћ/c. Волн. св-ва проявляются, напр., в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные — в фотоэффекте и Комптона эффекте. • Т а м м И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики).

В. В. Мигулин.