Перегляд вихідного коду сторінки Електромагнітна хвиля

{{unibox}}
'''Електромагні́тна хви́ля'''&nbsp;— процес розповсюдження [[електромагнітна взаємодія|електромагнітної взаємодії]] в просторі у вигляді змінних зв'язаних між собою [[Електричне поле|електричного]] та [[Магнітне поле|магнітного полів]]. Прикладами електромагнітних хвиль є [[світло]], [[радіохвилі]], [[Рентгенівське випромінювання|рентгенівські промені]], [[гамма-промені]]{{sfn|Прохоров|1999|с=874}}. Загальні властивості електромагнітних хвиль вивчаються в розділі фізики, що називається [[Класична електродинаміка|класичною електродинамікою]], специфічні&nbsp;— в інших розділах фізики, таких як [[радіофізика]], [[оптика]], [[спектроскопія]], [[атомна фізика]], [[ядерна фізика]] тощо.

== Рівняння ==

Електромагнітні хвилі описуються загальними для електромагнітних явищ [[рівняння Максвелла|рівняннями Максвелла]]. Навіть у випадку відсутності у просторі електричних [[Електричний заряд|заряд]]ів і [[Електричний струм|струмів]] рівняння Максвелла мають відмінні від нуля розв'язки. Ці розв'язки описують електромагнітні хвилі.

У випадку відсутності зарядів і струмів рівняння Максвелла набирають наступного виду:
: <math> \text{rot} \, \mathbf{H} = \frac{1}{c} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} </math>,

: <math> \text{rot} \, \mathbf{E} = -\frac{1}{c} \frac{\partial \mathbf{H}}{\partial t}</math>,

: <math> \text{div} \, \mathbf{H} = 0</math>,

: <math> \text{div} \, \mathbf{E} = 0 </math>.

Застосовуючи операцію rot до перших двох рівнянь можна отримати окремі рівняння для визначення напруженості електричного і магнітного полів
: <math> \Delta \mathbf{H} - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf{H}}{\partial t^2} = 0 </math>

:* '''<math> \Delta \mathbf{E} - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} = 0 </math>'''

Ці рівняння мають типову форму [[хвильове рівняння|хвильових рівнянь]]. Їхніми розв'язками є [[суперпозиція]] виразів наступного типу
:* <math>  \mathbf{E} = \mathbf{E}_0 \cos (\mathbf{k}\cdot\mathbf{r} - \omega t - \varphi )</math>,

: <math>  \mathbf{H} = \mathbf{H}_0 \cos (\mathbf{k}\cdot\mathbf{r} - \omega t - \varphi )</math>,
 
де <math> \mathbf{k} </math>&nbsp;— певний вектор, який називається [[хвильовий вектор|хвильовим вектором]], ω&nbsp;— число, яке називається [[Кутова частота|циклічною частотою]], φ&nbsp;— [[фаза (коливання)|фаза]]. Величини <math> \mathbf{E}_0 </math> та <math> \mathbf{H}_0 </math> є амплітудами електричної та магнітної компоненти електромагнітної хвилі. Вони взаємно перпендикулярні й рівні за абсолютною величиною. Фізична інтерпретація кожної із введених величин дається нижче.

== Характеристики ==
У вакуумі електромагнітна хвиля розповсюджується зі швидкістю, яка називається [[швидкість світла|швидкістю світла]]. Швидкість світла є фундаментальною фізичною константою, яка позначається латинською літерою c. Згідно з основним постулатом [[Спеціальна теорія відносності|теорії відносності]] швидкість світла є максимально можливою швидкістю передачі інформації чи руху тіла. Ця швидкість становить 299&nbsp;792&nbsp;458 м/с.

Електромагнітна хвиля характеризується частотою. Розрізняють лінійну частоту ν й циклічну частоту ω = 2πν. В залежності від частоти електромагнітні хвилі належать до одного зі спектральних діапазонів.

Іншою характеристикою електромагнітної хвилі є хвильовий вектор <math> \mathbf{k} </math>. Хвильовий вектор визначає напрямок розповсюдження електромагнітної хвилі, а також її довжину. Абсолютне значення хвильового вектора називають хвильовим числом.

[[Довжина хвилі|Довжина електромагнітної хвилі]] <math> \lambda = 2\pi/k </math>, де k&nbsp;— [[хвильове число]].

Довжина електромагнітної хвилі зв'язана з частотою через [[закон дисперсії]]. У порожнечі цей зв'язок простий:
: <math> \lambda \nu =  c </math>.

Часто дане співвідношення записують у вигляді
: <math> \omega = ck </math>.

Електромагнітні хвилі з однаковою частотою й хвильовим вектором можуть розрізнятися фазою.

У порожнечі вектори напруженості електричного й магнітного полів електромагнітної хвилі обов'язково перпендикулярні до напрямку розповсюдження
хвилі. Такі хвилі називаються [[монохроматична плоска хвиля#поперечні й поздовжні хвилі|поперечними хвилями]].
Математично це описується рівняннями <math> \mathbf{k} \cdot \mathbf{E} =0 </math> та <math> \mathbf{k} \cdot \mathbf{H} = 0 </math>.
Крім того, напруженості електричного й магнітного полів перпендикулярні одна до одної й завжди в будь-якій точці простору рівні за абсолютною величиною: E = H<ref>В [[Міжнародна система величин|Міжнародній системі величин]] (ISQ)  [[напруженість магнітного поля]]  та [[магнітна індукція]] мають різні [[Розмірність фізичної величини|розмірності]], тож вони лише пропорційні одна одній. У цьому
полягає великий недолік системи ISQ з точки зору фізичної ясності.</ref>. Якщо вибрати систему координат таким чином, щоб вісь z збігалася з напрямком поширення електромагнітної хвилі, існуватимуть дві різні можливості для напрямків векторів напруженості електричного поля. Якщо електричне поле направлене вздовж осі x, то магнітне поле буде направлене вздовж осі y, і навпаки. Ці дві різні можливості не виключають одна одну й відповідають двом різним поляризаціям. Детальніше це питання розбирається в статті [[Поляризація електромагнітної хвилі]].

== Спектральні діапазони ==

[[Файл:Spectre.svg|thumb|400px|Спектральні діапазони з виділеним видимим світлом]]

В залежності від частоти чи довжини хвилі (ці величини пов'язані між собою), електромагнітні хвилі відносять до різних діапазонів. Хвилі в різних діапазонах
різним чином взаємодіють з фізичними тілами.

Електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до '''[[Радіохвилі|радіодіапазону]]'''. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на віддаль за допомогою [[радіо]], [[телебачення]], [[мобільний телефон|мобільних телефонів]]. У радіодіапазоні працює [[радіолокація]]. Радіодіапазон розділяється на метровий, дециметровий, сантиметровий, міліметровий, в залежності від довжини електромагнітної хвилі.

Електромагнітні хвилі з вищою частотою належать до '''[[Інфрачервоне випромінювання|інфрачервоного діапазону]]'''. В інфрачервоному діапазоні лежить теплове випромінювання тіла. Реєстрація цього випромінювання лежить в основі роботи [[Прилад нічного бачення|приладів нічного бачення]]. Інфрачервоні
хвилі застосовуються також для вивчення теплових коливань у тілах і допомагають встановити атомну структуру твердих тіл, газів та рідин.

Електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 400 нм до 760 нм належать до діапазону [[Видиме світло|видимого світла]]. В залежності від частоти й довжини хвилі
видиме світло розрізняється за [[колір|кольорами]].

Хвилі з довжиною меншою за 400 нм називаються '''[[Ультрафіолетове випромінювання|ультрафіолетовими]]'''. Людське око їх не розрізняє, хоча їхні властивості не дуже відрізняються від властивостей хвиль видимого діапазону. Більша частота, а, отже, й енергія квантів такого світла призводить до більш руйнівної дії ультрафіолетових хвиль на біологічні об'єкти. Земна поверхня захищена від шкідливої дії ультрафіолетових хвиль [[Озоносфера|озоновим шаром]]. Для додаткового захисту природа наділила людей темною шкірою. Проте ультрафіолетові промені потрібні людині для продукування [[вітамін D|вітаміну D]]. Саме тому люди в північних широтах, де інтенсивність ультрафіолетових хвиль менша, втратили темне забарвлення шкіри.

Електромагнітні хвилі ще вищої частоти належать до '''[[Рентгенівське проміння|рентгенівського]]''' діапазону. Вони називаються так тому, що їх відкрив [[Вільгельм Конрад Рентген|Вільгельм Рентген]], вивчаючи випромінювання, яке утворюється при гальмуванні [[електрон]]ів. В закордонній літературі такі хвилі заведено називати '''X-променями''', поважаючи бажання Рентгена, щоб промені не називали його іменем. Рентгенівські хвилі слабо взаємодіють із речовиною, сильніше поглинаються середовищем із більшою густиною. Цей факт використовується в медицині для рентгенівської флюорографії. Рентгенівські хвилі застосовуються також для [[елементний аналіз|елементного аналізу]] та вивчення структури кристалічних тіл.

Найвищу частоту й найменшу довжину мають [[гамма-промені|'''γ-промені''']]. Такі промені утворюються внаслідок ядерних реакцій і реакцій між елементарними частинками. γ-промені мають велику руйнівну дію на біологічні об'єкти. Проте вони використовуються у фізиці для вивчення різних характеристик [[Ядро атома|атомного ядра]].

== Енергія електромагнітної хвилі ==

Енергія електромагнітної хвилі визначається сумою енергій електричного й магнітного поля. Густина енергії в певній точці простору задається виразом:
: <math> w = \frac{1}{8\pi} (E^2 + H^2) </math>.

Усереднена по часу густина енергії дорівнює.
: <math> w = \frac{1}{16\pi} (E_0^2 + H_0^2) </math>,

де E<sub>0</sub> = H<sub>0</sub>&nbsp;— амплітуда хвилі.

Важливе значення має густина потоку енергії електромагнітної хвилі. Вона зокрема визначає [[світловий потік]] у оптиці. Густина потоку енергії електромагнітної хвилі задається [[вектор Пойнтінга|вектором Умова-Пойнтінга]].
: <math> \mathbf{S} = \frac{c}{4\pi} [\mathbf{E} \times \mathbf{H}] </math> у [[СГС]]
: <math> \mathbf{S} = [\mathbf{E} \times \mathbf{H}] </math> у [[Міжнародна система величин|ISQ]]

== Електромагнітна хвиля в середовищі ==

Розповсюдження електромагнітних хвиль у середовищі має ряд особливостей порівняно із розповсюдженням у вакуумі. Ці особливості зв'язані із властивостями середовища й загалом залежать від частоти електромагнітної хвилі. Електрична та магнітна складова хвилі викликають поляризацію й намагнічування середовища. Цей відгук середовища неоднаковий у випадку малої й великої частоти. При малій частоті електромагнітної хвилі, електрони й іони речовини встигають відреагувати на зміну інтенсивності електричного й магнітного полів. Відгук середовища відслідковує часові коливання у хвилі. При великій частоті електрони й іони речовини не встигають зміститися протягом періоду коливання полів у хвилі, а тому поляризація та намагнічення середовища набагато менші.

Електромагнітне поле малої частоти не проникає в метали, де багато вільних електронів, які зміщуються таким чином, що повністю гасять електромагнітну хвилю. Електромагнітна хвиля починає проникати в метал при частоті більшій за певну частоту, яка називається [[Плазмон#плазмова частота|плазмовою частотою]]. При частотах менших за плазмову частоту електромагнітна хвиля може проникати в поверхневий шар металу. Це явище називається [[скін-ефект]]ом.

У діелектриках змінюється закон дисперсії електромагнітної хвилі. Якщо в порожнечі електромагнітні хвилі розповсюджуються зі сталою амплітудою, то у середовищі вони затухають, внаслідок поглинання. При цьому енергія хвилі передається електронам чи іонам середовища. Загалом закон дисперсії за відсутності магнітних ефектів набирає вигляду
: <math> k^2 = \varepsilon(\omega) \frac{\omega^2}{c^2} </math>

де хвильове число k&nbsp;— загалом комплексна величина, уявна частина якої описує зменшення амплітуди електромагнітної хвилі,
<math> \varepsilon(\omega) </math>&nbsp;— залежна від частоти комплексна [[діелектрична проникність]] середовища.

В анізотропних середовищах напрямок векторів напруженості електричного та магнітного полів не обов'язково перпендикулярний напрямку розповсюдження хвилі. Проте напрямок векторів електричної та магнітної індукції зберігає цю властивість.

У середовищі при певних умовах може розповсюджуватися ще один тип електромагнітної хвилі&nbsp;— поздовжня електромагнітна хвиля, для якої напрям вектора напруженості електричного поля збігається із напрямком розповсюдження хвилі.

== Корпускулярно-хвильовий дуалізм ==
На початку двадцятого століття для того, щоб пояснити спектр випромінювання [[абсолютно чорне тіло|абсолютно чорного тіла]], [[Макс Планк]] припустив, що електромагнітні хвилі випромінюються [[квант]]ами з енергією пропорційною частоті. Через кілька
років [[Альберт Ейнштейн]], пояснюючи явище [[фотоефект]]у розширив цю ідею, припустивши, що електромагнітні хвилі поглинаються такими ж квантами.
Таким чином, стало зрозумілим, що електромагнітні хвилі характеризуються деякими властивостями, які раніше приписувалися
матеріальним частинкам, [[корпускула]]м.

Ця ідея отримала назву [[Корпускулярно-хвильовий дуалізм|корпускулярно-хвильового дуалізму]].

== Випромінювання й поглинання ==

== Релятивістське формулювання ==

== Квантування ==

== Шкала електромагнітних хвиль ==
{|border="2" cellspacing="0" cellpadding="4" width="100%"
|align = «center»|''Довжина, м''
|align = «center»|''Частота, Гц''
|align = «center»|''Найменування''
|-
|align = «center»|10<sup>6</sup>−10<sup>4</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>2</sup>−3∙10<sup>4</sup>
|[[Наддовгі радіохвилі|Наддовгі]]
|-
|align = «center»|10<sup>4</sup>−10<sup>3</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>4</sup>−3∙10<sup>5</sup>
|[[Довгі хвилі|Довгі (радіохвилі)]]
|-
|align = «center»|10<sup>3</sup>−10<sup>2</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>5</sup>−3∙10<sup>6</sup>
|[[Середні хвилі|Середні (радіохвилі)]]
|-
|align = «center»|10<sup>2</sup>−10<sup>1</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>6</sup>−3∙10<sup>7</sup>
|[[Короткі хвилі|Короткі (радіохвилі)]]
|-
|align = «center»|10<sup>1</sup>−10<sup>−1</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>7</sup>−3∙10<sup>9</sup>
|[[Ультракороткі хвилі|Ультракороткі]]
|-
|align = «center»|10<sup>−1</sup>−10<sup>−2</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>9</sup>−3∙10<sup>10</sup>
|Телебачення ([[Мікрохвильове випромінювання|НВЧ]])
|-
|align = «center»|10<sup>−2</sup>−10<sup>−3</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>10</sup>−3∙10<sup>11</sup>
|[[Радіолокація]] (НВЧ)
|-
|align = «center»|10<sup>−3</sup>−10<sup>−6</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>11</sup>−3∙10<sup>14</sup>
|[[Інфрачервоне випромінювання]]
|-
|align = «center»|10<sup>−6</sup>−10<sup>−7</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>14</sup>−3∙10<sup>15</sup>
|[[Видиме світло]]
|-
|align = «center»|10<sup>−7</sup>−10<sup>−9</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>15</sup>−3∙10<sup>17</sup>
|[[Ультрафіолетове випромінювання]]
|-
|align = «center»|10<sup>−9</sup>−10<sup>−12</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>17</sup>−3∙10<sup>20</sup>
|[[Рентгенівське проміння|Рентгенівське випромінювання]] (м'яке)
|-
|align = «center»|10<sup>−12</sup>−10<sup>−14</sup>
|align = «center»|3∙10<sup>20</sup>−3∙10<sup>22</sup>
|[[Гамма-промені|Гамма-випромінювання (жорстке)]]
|-
|align = «center»|≤10<sup>−14</sup>
|align = «center»|≥3∙10<sup>22</sup>
|[[Космічні промені]]
|}

== Примітки ==
{{примітки}}

== Див. також ==
* [[Хвиля]]
* [[Радіохвилі]]
* [[Електромагнетизм]]
* [[Електромагнітний потенціал]]

== Література ==
* {{книга
 |автор          = Физика. Большой энциклопедический словарь
 |заголовок      = 
 |посилання      = 
 |відповідальний = Гл. ред. А.&nbsp;М.&nbsp;Прохоров
 |місце          = Москва
 |видання        = 4-е изд
 |видавництво    = Большая Российская энциклопедия
 |рік            = 1999
 |том            = 
 |сторінок       = 
 |сторінки       = 874—876
 |isbn           = 5-85270-306-0
 |ref            = Прохоров
}}{{ref-ru}}
* {{книга
 |автор          = Гольдштейн&nbsp;Л.&nbsp;Д., Зернов&nbsp;Н.&nbsp;В.
 |заголовок      = Электромагнитные поля и волны
 |посилання      = 
 |відповідальний = 
 |місце          = Москва
 |видання        = 2-е изд
 |видавництво    = Советское радио
 |рік            = 1971
 |том            = 
 |сторінок       = 664
 |сторінки       = 
 |isbn           = 
 |ref            = Гольдштейн
}}{{ref-ru}}

{{Physics-stub}}
{{Refimprove|talk=y|date=листопад 2015}}
{{ВП-портали|Науки про Землю|Метеорологія та кліматологія|Фізика}}

{{Бібліоінформація}}
[[Категорія:Електромагнітне поле]]
[[Категорія:Надпопулярні статті]]