Закон Ампера. Закон БиоСавараЛапласа. Магнитная индукция прямого и кругового тока

• Название: Закон Ампера. Закон БиоСавараЛапласа. Магнитная индукция прямого и кругового тока
• Анкор: shpora.doc
• Дата: 27.02.2017
• Размер: 2.54 Mb.
• Имя файла: shpora.doc
• Тип: Закон; #3177
• страница: 9 из 12

§ 162. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны

Как уже указывалось (см. §161), одним из важнейших следствий уравнений Мак­свелла (см. § 139) является существова­ние электромагнитных волн. Можно по­казать, что для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создаю­щих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электро­магнитного поля удовлетворяют волново­му уравнению типа (154.9):— оператор Лапласа, v— фазовая ско­рость.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некоторую волну. Следовательно, электро­магнитные поля действительно могут су­ществовать в виде электромагнитных волн. Фазовая скорость электромагнитных волн определяется выражением

где с= 1/₀₀, ₀ и ₀ — соответственно электрическая и магнитная постоянные,  и  — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме (при =1 и =1) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как > 1, то скорость распространения электро­магнитных волн в веществе всегда мень­ше, чем в вакууме.

При вычислении скорости распростра­нения электромагнитного поля по формуле (162.3) получается результат, достаточно хорошо совпадающий с эксперименталь­ными данными, если учитывать зависи­мость  и , от частоты. Совпадение же размерного коэффициента в (162.3) со cкоростью распространения света в вакуу­ме указывает на глубокую связь между электромагнитными и оптическими явле­ниями, позволившую Максвеллу создать электромагнитную теорию света, согласно которой свет представляет собой электро­магнитные волны.

Следствием теории Максвелла являет­ся поперечность электромагнитных волн: векторы Е и Н напряженностей электриче­ского и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны (на рис. 227 показана моментальная «фотография» плоской электромагнитной волны) и лежат в плос­кости, перпендикулярной вектору v скоро­сти распространения волны, причем векто­ры Е, Н и v образуют правовинтовую систему. Из уравнений Максвелла следует также, что в электромагнитной волне век­торы Е и Н всегда колеблются в одина­ковых фазах (см. рис. 227), причем мгно­венные значения £ и Я в любой точке связаны соотношением

₀=₀Н. (162.4) Следовательно, E и H одновременно достигают максимума, одновременно об­ращаются в нуль и т. д. От волновых уравнений (162.1) и (162.2) можно перейти к уравнениям где соответственно индексы у и z при Е н Н подчеркивают лишь то, что векторы Е и Н направлены вдоль взаимно перпен­дикулярных осей у и z.

Уравнениям (162.5) и (162.6) удов­летворяют, в частности, плоские монохро­матические электромагнитные волны (электромагнитные волны одной строго определенной частоты), описываемые уравнениями Е_у=Е₀cos(t-kx+), (162.7) H_z= H₀cos(t-kx+),(162.8)

где е₀и Н₀ — соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнит­ного полей волны,  — круговая частота волны, k=/v— волновое число, — начальные фазы колебаний в точках с ко­ординатой х=0. В уравнениях (162.7) и (162.8)  одинаково, так как колебания электрического и магнитного векторов в электромагнитной волне происходят с одинаковой фазой.

§ 163. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля Возможность обнаружения электромаг­нитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность wэнергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей w_эл (см. (95.8)) и w_м(см. (130.3)) электриче­ского и магнитного полей: w= w_эл+w_м=₀E²/2+₀H²/2.Учитывая выражение (162.4), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент вре­мени одинакова, т. е. w_эл = w_м. Поэтому w=2w_эл=₀Е² =₀₀ЕН. Умножив плотность энергии wна скорость vраспространения волны в среде (см. (162.3)), получим модуль плотности потока энергии:

S=wv=EH. Так как векторы Е и Н взаимно пер­пендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энер­гии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнит­ной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга:

S = [EH].

Вектор S направлен в сторону рас­пространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу вре­мени через единичную площадку, перпен­дикулярную направлению распростране­ния волны.

Если электромагнитные волны погло­щаются или отражаются телами (эти яв­ления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что элек­тромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромаг­нитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны за­ряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны дейст­вию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излуче­ния, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности со­ставляет примерно 5 мкПа. В исключи­тельно тонких экспериментах, ставших классическими, П. Н. Лебедев в 1899 г. до­казал существование светового давления на твердые тела, а в 1910г.— на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Мак­свелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Существование давления электромаг­нитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механи­ческий импульс. Импульс электромагнит­ного поля

p=W/c,

где W— энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р=mc(поле в ва­кууме распространяется со скоростью с), получим p = mc=W/c, откуда

W = mc². (163.1)

Это соотношение между массой и энергией свободного электромагнитного поля явля­ется универсальным законом природы (см. также §40). Согласно специальной теории относительности, выражение (163.1) имеет общее значение и справед­ливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.

Таким образом, рассмотренные свойст­ва электромагнитных волн, определяемые теорией Максвелла, полностью подтвер­ждаются опытами Герца, Лебедева и вы­водами специальной теории относительно­сти, сыгравшими решающую роль для подтверждения и быстрого признания этой теории.

§ 164. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн

Простейшим излучателем электромагнит­ных волн является электрический диполь, электрический момент которого изменяет­ся во времени по гармоническому закону р = р₀cost, где р₀ — амплитуда вектора р. Примером подобного диполя может служить система, состоящая из покоящегося положительно­го заряда +Q и отрицательного заряда -Q, гармонически колеблющегося вдоль направления р с частотой . Задача об излучении диполя имеет в теории излучающих систем важное зна­чение, так как всякую реальную излучаю­щую систему (например, антенну) можно рассчитывать рассматривая излучение ди­поля. Кроме того, многие вопросы взаимо­действия излучения с веществом можно объяснить на основе классической теории, рассматривая атомы как системы зарядов, в которых электроны совершают гармони­ческие колебания около их положений равновесия.

Характер электромагнитного поля ди­поля зависит от выбора рассматриваемой точки. Особый интерес представляет так называемая волновая зона диполя — точ­ки пространства, отстоящие от диполя на расстояниях r, значительно превышающих длину волны (r>>),— так как в ней кар-

тина электромагнитного поля диполя силь­но упрощается. Это связано с тем, что в волновой зоне диполя практически оста­ются только «отпочковавшиеся» от дипо­ля, свободно распространяющиеся поля, в то время как поля, колеблющиеся вместе с диполем и имеющие более сложную структуру, сосредоточены в области рас­стояний r<=.

Если волна распространяется в одно­родной изотропной среде, то время про­хождения волны до точек, удаленных от диполя на расстояние r, одинаково. Поэто­му во всех точках сферы, центр которой совпадает с диполем, фаза колебаний оди­накова, т. е. в волновой зоне волновой фронт будет сферическим и, следователь­но, волна, излучаемая диполем, есть сфе­рическая волна.

В каждой точке векторы Е и Н ко­леблются по закону cos(t-kr), амплиту­ды этих векторов пропорциональны 1/rsin

(для вакуума), т. е. зависят от расстояния rдо излучателя и угла  между направле­нием радиуса-вектора и осью диполя. От­сюда следует, что интенсивность излуче­ния диполя в волновой зоне

Isin²/r². (164.1)

Зависимость (164.1) I от  при заданном значении r, приводимая в полярных ко­ординатах (рис.228), называется диаг­раммой направленности излучения дипо­ля. Как видно из выражения (164.1) и приведенной диаграммы, диполь сильнее всего излучает в направлениях, перпенди­кулярных его оси (=/2). Вдоль своей оси (=0 и =) диполь не излучает вообще. Диаграмма направленности излу­чения диполя позволяет формировать из­лучение с определенными характеристиками и используется при конструировании антенн.Впервые электромагнитные волны бы­ли использованы через семь лет после опытов Герца. 7 мая 1895 г. преподаватель физики офицерских минных классов А.С.Попов (1859—1906) на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире радио­приемник, открывший возможность прак­тического использования электромагнит­ных волн для беспроволочной связи, пре­образившей жизнь человечества. Первая переданная в мире радиограмма содержа­ла лишь два слова: «Генрих Герц». Изо­бретение радио Поповым сыграло огром­ную роль в деле распространения и разви­тия теории Максвелла.

Электромагнитные волны сантиметро­вого и миллиметрового диапазонов, встре­чая на своем пути преграды, отражаются от них. Это явление лежит в основе радио­локации — обнаружения предметов (на­пример, самолетов, кораблей и т. д.) на больших расстояниях и точного определе­ния их положения. Помимо этого, методы радиолокации используются для наблюде­ния прохождения и образования облаков, движения метеоритов в верхних слоях ат­мосферы и т. д.Для электромагнитных волн характер­но явление дифракции — огибания волна­ми различных препятствий. Именно благо­даря дифракции радиоволн возможна устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами, разделенными между собой вы­пуклостью Земли. Длинные волны (сотни и тысячи метров) применяются в фототе­леграфии, короткие волны (несколько мет­ров и меньше) применяются в телевидении для передачи изображений на небольшие расстояния (немногим больше пределов прямой видимости). Электромагнитные волны используются также в радиогеоде­зии для очень точного определения рассто­яний с помощью радиосигналов, в радио­астрономии для исследования радиоизлу­чения небесных тел и т. д. Полное описание применения электромагнитных волн дать практически невозможно, так как нет об­ластей науки и техники, где бы они не использовались.

№16 Одномерная потенциальная ступень(порог). Коэффициент отражения прохождения(прозрачности).

Рассмотрим простейший потенциальный барьер прямоугольной формы (рис. 298, а)для одномерного (по оси х) движения частицы. Для потенциального барьера прямо­угольной формы высоты U и ширины lможем записать



При данных условиях задачи классическая частица, обладая энергией Е, либо беспрепятственно пройдет над барьером (при Е>U), либо отразится от него (приЕи будет двигаться в обратную сторону, т. е. она не может проникнуть сквозь барьер. Для микрочастицы же, даже при Е>U, имеется отличная от нуля вероятность, что частица отразится от барьера и будет двигаться в обратную сторону. При E<Uимеется также отличная от нуля вероятность, что частица окажется в области х>1,т. е. проникает сквозь барьер. Подобные, казалось бы, парадоксальные выводы следуют непосредственно из решения уравнения Шредингера, описывающего движение микрочастицы при условиях данной задачи.Уравнение Шредингера (217.5) для стационарных состояний для каждой из выде­ленных на рис. 298, а области имеет вид               (221.1)

Общие решения этих дифференциальных уравнений:      (221.2)                     (221.3)

В частности, для области 1 полная волновая функция, согласно (217.4), будет иметь вид                                 (221.4)

В этом выражении первый член представляет собой плоскую волну типа (219.3), распространяющуюся в положительном направлении оси х (соответствует частице, движущейся в сторону барьера), а второй — волну, распространяющуюся в противоположном направлении, т. е. отраженную от барьера (соответствует частице, движущейся от барьера налево).

Решение (221.3) содержит также волны (после умножения на временной множи­тель), распространяющиеся в обе стороны. Однако в области 3 имеется только волна, прошедшая сквозь барьер и распространяющаяся слева направо. Поэтому коэффици­ент B₃ в формуле (221.3) следует принять равным нулю.

В области 2 решение зависит от соотношений Е>U или Е<U. Физический интерес представляет случай, когда полная энергия частицы меньше высоты потенциального барьера, поскольку при Е<U законы классической физика однозначно не разрешают частице проникнуть сквозь барьер. В данном случае, согласно (221.1), q=ib— мнимое число, где



Учитывая значение q и B₃=0, получим решения уравнения Шредингера для трех областей в следующем виде:                    (221.5)В области 2 функция (221.5) уже не соответствует плоским волнам, распространяющимся в обе стороны, поскольку показатели степени экспонент не мнимые, а действительные. Можно показать, что для частного случая высокого и широкого барьера, когда bl>>1, B₂»0.

Качественный характер функций y₁(х),y₂(х) и y₃(x) иллюстрируется на рис. 298, б,откуда следует, что волновая функция не равна нулю и внутри барьера, а в области 3,если барьер не очень широк, будет опять иметь вид волн де Бройля с тем же импульсом, т. е. с той же частотой, но с меньшей амплитудой. Следовательно, получили, что частица имеет отличную от нудя вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер конечной ширины.Таким образом, квантовая механика приводит к принципиально новому специфи­ческому квантовому явлению, получившему название туннельного эффекта, в резуль­тате которого микрообъект может «пройти» сквозь потенциальный барьер.Для описания туннельного эффекта используют понятиекоэффициента прозрач­ности D потенциального барьера, определяемого как отношение плотности потока прошедших частиц к плотности потока падающих. Можно показать, чтоДля того чтобы найти отношение |А₃/А₁|², необходимо воспользоваться условиями непрерывности y и y' на границах барьера х=0 и х=l (рис. 298):           (221.6)Эти четыре условия дают возможность выразить коэффициенты A₂,A₃, В₁ и В₂ через А₁.Совместное решение уравнений (221.6) для прямоугольного потенциального барьера дает (в предположении, что коэффициент прозрачности мал по сравнению с единицей)                                            (221.7) где U— высота потенциального барьера, Е — энергия частицы, l — ширина барьера, D₀— постоянный множитель, который можно приравнять единице. Из выражения (221.7) следует, что D сильно зависит от массы т частицы, ширины l барьера и от (U—E); чем шире барьер, тем меньше вероятность прохождения сквозь него частицы. Для потенциального барьера произвольной формы (рис. 299), удовлетворяющей условиям так называемого квазиклассического приближения (достаточно гладкая форма кривой), имеем

где U=U(x).С классической точки зрения прохождение частицы сквозь потенциальный барьер при Е<U невозможно, так как частица, находясь в области барьера, должна была бы обладать отрицательной кинетической энергией. Туннельный эффект является специ­фическим квантовым эффектом. Прохождение частицы сквозь область, в которую, согласно законам классической механики, она не может проникнуть, можно пояснить соотношением неопределенностей. Неопределенность импульса Dр на отрезке Dх=l составляет Dp>h/l. Связанная с этим разбросом в значениях импульса кинетическая энергия (Dр)²/(2m) может оказаться достаточной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенциальной.Основы теории туннельных переходов заложены работами Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича (1903—1981). Туннельное прохождение сквозь потенциальный барьер лежит в основе многих явлений физики твердого тела (например, явления в контактном слое на границе двух полупроводников), атомной и ядерной физики (например, a-распад, протекание термоядерных реакций).

№17 Электромагнитная природа света. Поперечность электромагнитных волн. Монохроматические волны. Когерентность. Методы получения когерентных источников. Условия усиления и ослабления света при интереференции.