Свойства электромагнитных волн

Возвращавшиеся из Исландии моряки привозили необычные прозрачные кристаллы известкового шпата (СаСОз), которые часто имели форму правильного ромбоэдра. В 1669 г. датский ученый Э. Бартолин сообщил о своих опытах с этими кристаллами. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провел тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через 20 лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло к себе внимание нидерландского ученого X. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввел важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, т. е. их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).

В своих опытах Гюйгенс пошел дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180° вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединенными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

Эти исследования вплотную подвели. Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако, решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов X. Гюйгенса И. Ньютон, придерживающийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

В 1808 г. французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок испанского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембурского дворца в Париже, к своему удивлению, заметил, что при определенном положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определенную ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Сегодня известно, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны с определенной длиной волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на поперечность этих волн, поскольку свойства продольной волны в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения, различаться не могут. При распространении электромагнитной волны в ней совершают колебания вектор напряженности электрического поля Е и вектор индукции магнитного поля В. Эти векторы всегда перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован (или линейно поляризован), а саму эту плоскость называют плоскостью поляризации. Векторы Е и В могут вращаться относительно направления распространения света; в этом случае световая волна обладает сложной поляризацией (круговой, эллиптической).

Квант света, излученный атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (Солнца, электрической лампочки и т. д.) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант света примерно за 10 - 8 с, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией, усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют так называемые поляризаторы. В их роли может выступать тот же кристалл исландского шпата или турмалина, а также и искусственный поляризатор. Разберем принцип действия поляризатора на простом механическом примере. Представьте себе двух девочек, которым надоело прыгать через скакалку, и они, став по разные стороны ограды из частых металлических прутьев, решили пускать по скакалке волны. Если волна, пущенная по скакалке, поляризована параллельно прутьям ограды, то она беспрепятственно проходит через ограду. Напротив, поляризованная в перпендикулярном направлении бегущая волна сквозь ограду уже не пройдет, а распадется на две отдельные стоячие волны, отражающиеся по каждую сторону от ограды. Таким образом, ограда служит поляризатором для бегущих по скакалке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости.

В 1932 г. группа американских ученых во главе с Е. Лэндом изобрела оптический поляризатор, который оказывает на световые волны действие, аналогичное описанному. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули так, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали в них электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. При падении электромагнитной волны на получившуюся решетку составляющая электрического поля, параллельная нитям, затухает, так как приходится совершать работу, разгоняя электроны вдоль нитей; перпендикулярная нитям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.

Итак, поляризатор поглощает свет, поляризованный параллельно нитям, и пропускает излучение, поляризованное перпендикулярно ориентации нитей. На той же идее основано действие «проволочной ограды» - поляризатора для электромагнитных волн сантиметрового диапазона, выполненного в виде ряда параллельных металлических проволок. Если проволоки в такой ограде сделаны из хорошего проводника, то они представляют собой активную нагрузку, аналогично рассмотренным выше углеводородным цепям с лишними электронами.

Если в солнечный день посмотреть на голубое небо сквозь поляризатор, то, вращая его, можно заметить, что на небе возникают темные полосы. Это опыт свидетельствует о поляризации солнечного света при его рассеивании в атмосфере.

1. Свойства электромагнитных волн

Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического и индукции магнитного полей.

Возможность существования электромагнитных волн обусловлена тем, что существует связь между переменными электрическим и магнитным полями. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Существует и обратное явление: переменное во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Электромагнитные волны в зависимости от длины волны (или частоты колебаний)

разделены условно на следующие основные диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр, ультрафиолетовые волны и гамма - лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с веществом.

Несмотря на то, что свойства электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений Максвелла. Величины Е и В и в электромагнитной волне в простейшем случае меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении Z, являются:

 (1)

где

-циклическая частота, -частота,

-волновое число, -начальная фаза колебаний.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности переменного электрического и индукции переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости распространения волны. Векторы , и образуют правовинтовую систему: из конца вектора поворот от к на наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рисунке 1).

Рисунок 1

На рисунке 2 показано распределение векторов и электромагнитной волны вдоль оси OZ в данный момент времени t.

Рисунок 2

Из формулы (1) следует, что вектора и в электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е. они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.

Основываясь на том, что электромагнитная волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с определенной ориентацией векторов и в пространстве.

2. Виды поляризации света