Електромагнітні хвилі — це самопідтримувані коливання взаємопов'язаних електричного (E) і магнітного (B) полів, що поширюються в просторі без потреби в середовищі. Рівняння Максвелла передбачають, що c = 1/√(ε₀μ₀) ≈ 3×10⁴ м/с у вакуумі, об'єднуючи оптику та електродинаміку. Радіохвилі, мікрохвилі, видиме світло, рентгенівське і гамма-випромінювання — це все електромагнітні хвилі, що різняться лише частотою.
Ця симуляція дозволяє змінювати напрямок поляризації, частоту та проникність середовища, щоб спостерігати, як поперечні поля E і B коливаються у фазі перпендикулярно одне одному та напрямку поширення. Можна порівняти фазову та групову швидкості в дисперсних середовищах.
Чому поля E і B коливаються перпендикулярно одне одному?
Цього вимагають ротаційні рівняння Максвелла: змінне поле E породжує перпендикулярне до нього поле B (закон Ампера-Максвелла), а змінне B породжує перпендикулярне E (закон Фарадея). У плоскій хвилі обидва поля мають бути також перпендикулярними до напрямку поширення, що робить електромагнітні хвилі поперечними.
Що таке швидкість світла і як її отримати теоретично?
Швидкість світла у вакуумі точно дорівнює c = 299 792 458 м/с (за визначенням з 1983 р.). Максвелл вивів її теоретично як c = 1/√(ε₀μ₀), де ε₀ = 8,854×10⁻¹² Ф/м і μ₀ = 4π×10⁻⁷ Гн/м. Збіг із виміряною швидкістю світла спонукав Максвелла ідентифікувати світло як електромагнітну хвилю.
Що таке поляризація хвилі?
Поляризація описує орієнтацію вектора електричного поля. При лінійній поляризації E коливається в фіксованій площині; при круговій — обертається з частотою хвилі. Поляризація використовується в РК-дисплеях, поляризаційних сонцезахисних окулярах, антенах та 3D-кінотеатрах.
Фазова швидкість (vф = ω/k) — це швидкість переміщення гребеня монохроматичної хвилі. Групова швидкість (vгр = dω/dk) — швидкість переміщення огинаючої хвильового пакету, а отже, і швидкість передачі інформації та енергії. У вакуумі обидві рівні c. У дисперсному середовищі вони різняться; у хвилеводі фазова швидкість може перевищувати c, не порушуючи принципу причинності.
У діелектрику з відносною проникністю εr швидкість хвилі становить v = c/√(εr) = c/n, де n — показник заломлення. Для скла n ≈ 1,5, тому світло поширюється в ньому зі швидкістю близько 2×10⁴ м/с. Саме це уповільнення (при незмінній частоті) є причиною заломлення і повного внутрішнього відбивання.
Потік енергії описується вектором Пойнтінга S = (1/μ₀)(E×B) у Вт/м². Середня за часом інтенсивність плоскої хвилі дорівнює I = ½cε₀E₀², де E₀ — амплітуда електричного поля. Поблизу Землі сонячне випромінювання несе близько 1361 Вт/м² (сонячна стала).
Усі ЕМ-хвилі поширюються зі швидкістю c у вакуумі, але їхня взаємодія з речовиною сильно залежить від частоти. Радіохвилі (кГц–ГГц, довжина від км до см) дифрагують навколо перешкод і відбиваються від іоносфери, забезпечуючи далекий зв'язок. Світло поглинається і розсіюється атмосферою та твердими предметами, що обмежує практичну дальність.
Спектр охоплює від радіохвиль (нижче 300 МГц, довжина понад 1 м) через мікрохвилі, інфрачервоне, видиме світло (400–700 нм), ультрафіолет, рентгенівське до гамма-випромінювання (понад 10¹⁹ Гц). Видиме світло займає менше однієї октави цього величезного діапазону. Медичний рентген використовує фотони з енергіями 20–150 кеВ; гамма-кванти від ядерних реакцій можуть перевищувати 1 МеВ.
Прискорені електричні заряди випромінюють електромагнітне випромінювання. В радіоантені змінний струм прискорює електрони туди і назад, випромінюючи на частоті збудження. Синхротронні джерела прискорюють електрони до швидкостей, близьких до c, у кільцевих орбітах, отримуючи інтенсивне рентгенівське випромінювання. Теплове випромінювання теплих тіл виникає внаслідок хаотичного прискорення заряджених частинок.
Для ЕМ-хвиль: c = fλ, тобто λ = c/f. Енергія фотона E = hf = hc/λ, де h = 6,626×10⁻³⁴ Дж·с. Фотон зеленого світла (550 нм) має енергію ≈ 2,25 еВ, рентгенівський фотон (0,1 нм) — близько 12,4 кеВ, тобто приблизно у 5500 разів більше.