Интерференция и дифракция света

Электромагнитное поле

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. В том же году в Англии родился Джеймс Клерк Максвелл, ставший впоследствии ученым и сделавший важнейшее научное от­крытие, которое позволило глубже понять сущность электромагнит­ной индукции

Согласно явлению электромагнитной индукции при изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает индукцион­ный ток. Но ток может возникнуть только при наличии электрического поля.

Ответы на эти и другие вопросы были получены в 1865 г., когда Максвелл создал теорию элек-тромагнитного поля. Он теоретически доказал, что всякое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению переменного электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает переменное магнитное поле.

Эти порождающие друг друга переменные электрическое и магнитное

поля об разуют единое электромагнитное поле.

Источником электромагнитного поля служат ускоренно дви-

жущиеся электрические заряды.

Если электрические заряды движутся с ускорением, например колеблются, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется. Переменное электрическое поле создает в пространстве пе­ременное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает пере­менное электрическое и т. д.

Переменное электрическое поле называется вихревым, поскольку его силовые линии замкнуты подобно линиям индукции магнитного по­ля. Это отличает его от поля электростатического (т.е. постоянного, не меняющегося во времени), которое существует вокруг неподвижных заряженных тел. Силовые линии электростатического поля начинают­ся на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Открытие электромагнитного поля позволило более детально опи­сать механизм возникновения индукционного тока. Во всех опытах по получению индукционного тока тем или иным образом изменялся магнитный поток, пронизывающий контур замкнутого проводника. При этом, согласно теории Максвелла, возникало вихре­вое электрическое поле, под действием кото-рого свободные заряды всегда имеющиеся в проводнике, приходили в направленное движе­ние. В данном случае проводник, замкнутый на гальванометр, играл лишь роль индикатора, обнаруживающего возникшее в данной облас­ти пространства элек-трическое поле. Электрическое поле существует независимо от наличия проводника.

Созданная Максвеллом теория, позволившая предсказать существование электромагнитного поля за 22 года до того, как оно было обнаружено экспериментально, считается величайшим из научных открытий, роль которого в развитии нау-ки и техники трудно переоценить.

Электромагнитное поле – особая форма материи. Оно существует реально, т. е. независимо от нас, от наших знаний о нем. Неотъемлемой характеристикой материи является энергия. Под энергией электромагнитного поля подразумевается сумма энергий электрического и магнитного полей:

Электромагнитные волны

 Из созданной Максвеллом теории вытекал вывод о том, что быстропеременное электромагнитное поле должно рас-спространяться в пространстве в виде поперечных волн. Причем эти волны могут су­ществовать не только в веществе, но и в вакууме. Опираясь исключи­тельно на теоретические выводы, Максвелл определил также, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью 300 000 км/с, т. е. со скоростью света (скорость света, как известно, была измерена задолго до этого).

Вы знаете, что в механических волнах, например в звуковых, энергия передается от одних частиц среды к другим. При этом частицы приходят в колебательное движение, т. е. их смещение от поло­жения равновесия периодически меняется. Для передачи звука обязательно нужна вещественная среда.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, т. е. какие физические величины периодически меняются в ней?

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей

   Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В.

Основной количественной характеристикой электрического поля служит векторная величина, называемая напряженностью элект­рического поля, которая обозначается Е.

   Когда мы говорим, что магнитное и электрическое поля меняют­ся, то это означает, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля В и вектор напряженности электрического поля Ё.

В электромагнитной волне именно векторы В и Е пери­одически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеб­лются.

Вектор напряженности электриче­ского поля Е и вектор индукции магнитного поля В электромаг­нитной волны в один и тот же момент времени. Эти векторы перпендикулярны друг другу (см. рис.1). Это как бы «момен­тальный снимок» волны, распространяющейся в направлении оси Z. Плоскость, проведенная через векторы В и Е в любой точке, перпен­дикулярна направлению распространения волны, что говорит о поперечности волны.

Электромагнитная волна называется монохроматической ,  если ее векторы и совершают гармони-ческие колебания постоянной одинаковой частоты, называемой частотой колебаний.

За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси Z на расстояние, равное длине волны. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны , ее ско­ростью с, периодом Т и частотой  колебаний, что и для механиче­ских волн:

Распространение электромагнитных волн связано с переносом энергии. Энергия переносится в направлении распространения волны, т.е. в направлении вектора  .      

Максвелл не только научно обосно­вал возможность существования электромагнитных волн, но и указал, что для создания интенсивной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на некотором расстоянии от источника, необходимо, чтобы колебания векторов Е и В происходили с достаточно высокой частотой (порядка 100 000 колебаний в секунду и больше).

В 1888 г. немецкому ученому Генриху Герцуудалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны. В результа-те опытов Герца были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Сейчас мы знаем, что все пространство вокруг нас буквально про­низано электромагнитными волнами различных частот.  В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диа­пазонов, которые представлены на рис. 2.

Границы диапазонов весьма условны, поэтому, как видно из рисунка, в большинстве случаев соседние диапазоны несколько пере­крывают друг друга.

Радиосвязью называется передача информации с помощью радиоволн – электромагнитных волн, частоты которых охватывают широкий диапазон: от 3∙10⁴ до 3∙10¹¹ Гц.

С помощью радиовещания осуществляется передача речи и музыки, с помощью телевидения – передача изображений.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от дру­га проникающей способностью, скоростью распространения в веще­стве, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воз­действие на живые организмы. Напри-мер, инфракрасное, т. е. тепло­вое излучение играет определяющую роль в поддержании жизни на Земле, поскольку люди, животные и растения могут существовать и нормально функционировать только при опре-деленных температурах.

Видимый свет дает нам информацию об окружающем мире и воз­можность ориентироваться в пространстве. Он необходим так-же для протекания процесса фотосинтеза в растениях, в результате чего выделяется кислород, необходимый для дыхания живых организмов.

Влияние на человека ультрафиолетового излучения (вызывающего загар) в большой степени определяется интенсив-ностью и продолжительностью облучения. В допустимых дозах оно повышает сопротивляемость организма человека к раз-личным заболеваниям в частности инфекционным. Превышение допустимой дозы может вызвать ожоги кожи, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета, повреждение сетчатки глаз. Глаза можно защитить с помощью стеклянных очков (как темных, так и прозрачных, но не пластиковых), так как стекло поглощает значительную часть уль-трафиолетовых лучей.

Вы знакомы и с рентгеновским излучением, в частности с его ши­роким применением в медицине — флюорографическое обследова­ние или рентгеновский снимок наверняка делали каждому из вас. Но слишком большие дозы или частые обследова-ния с помощью рентге­новских лучей могут вызвать серьезные заболевания.

Получение электромагнитных волн имеет огромное научное и прак­тическое значение. В этом можно убедиться на примере всего лишь од­ного диапазона - радиоволн, применяемых для телевизионной и радио­связи, в радиолокации (т.е. для обнаружения объектов и измерения расстояния до них), в радиоастрономии и других сферах деятельности.

Интерференция и дифракция света

Оптикой называют раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникновением, распространением и взаимодействием с вещество световых волн.

Свет так же как и звук, и радиоволны является электромагнитной волной. Световые волны охватывают на шкале электромагнитных волн диапазон от 390 нм до 750 нм. Для света справедливы те же формулы, какие мы использовали для определения длины волны электромагнитной волны.

Интерференцией волн называется явление наложения двух или нескольких световых волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление - в других.

Условие максимумов (усиление) можно сформулировать следующим образом: ,

т.е. оптическая разность хода слагаемых волн равна четному числу длин полуволн или целому числу длин волн

Условие минимумов (ослабление) результирующего колебания происходит, если разность хода слагаемых волн равна нечетному числу полуволн

Значения к = 1, 2, 3, ... называют порядком интерференционного максимума или минимума.

Оптическая разность хода – разность оптических длин путей двух лучей:

Оптическая длина пути L волны – величина, характеризующая число длин волн, которые укладываются в данной среде на протяжении геометрического пути волны, и определяется L = nd, 

d – геометрическая длина пути

Этому условию удовлетворяют монохроматическиеволны, т. е. волны одной строго определенной частоты (длины волны) и постоянной амплитуды.

Результат интерференции зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Интерференция волн приводит к перераспределению энергии колебаний между различными, близко расположенными частицами среды.

Интерферировать могут только когерентные волны, в которых колебания совершаются вдоль одного и того же направления. Волны и возбуждающие их источники называются когерентными, если разность фаз волн не зависит от времени и частота постоянная. Когерентные световые волны можно получить от одного источника.

На рис.1 показаны результаты сложения колебаний с разностью хода равной нечетному числу длин по-луволн (а) и четному числу (б)

                                        Рис.1

Дифракцией света называется огибание световыми волнами встреченных препятствий.

В более широком смысле дифракцией света называется совокупность явлений, обусловленных вол-новыми свойствами света и наблюдаемых при его распространении в среде с резко выраженными неодно-родностями (отверстия в непрозрачных экранах, границы непрозрачных тел и т. д.). Явление дифракции ука-зывает на нарушение законов геометрической оптики.

Для отыскания распределения на экране интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с препятствиями применяются приближенные методы, основанные на принципах Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля.

Принцип Гюйгенса: каждая точка S1, S2,…фронта волны АВ является источником новых, вторичных волн. Новое положение фронта волны А1 В1 через время представляет собой огибающую поверхность вторичных волн (рис.4).

Френель дополнил этот принцип, введя представление о том, что волновое возмущение в любой точке пространства можно рассматривать как результат интерференции вторичных волн от фиктивных источников, на которые разбивается волновой фронт. Френель впервые высказал предположение, что эти фиктивные источники когерентны и могут интерферировать в любой точке пространства, в результате чего элементарные волны могут гасить или усиливать друг друга.

По методу Френеля волновую поверхность разбивают на отдельные участки (зоны Френеля), расположенные таким образом, чтобы волны, посылаемые двумя соседними зонами в данную точку пространства, приходили в противофазе и при наложении взаимно ослабляют друг друга. (рис.5)

Принцип Гюйгенса-Френеля. Все вторичные волны, излучаемые вторичными источниками, находя-щимися на поверхности фронта волны АВ, гасятся в результате интерференции, кроме волн от источников, расположенных на малом участке сферического сегмента.

            Рис.4                                                 рис.5

                                                                                                                               Рис.6

Совокупность большого числа препятствий и отверстий, сосредоточенных в ограниченном простран-стве, на которых происходит дифракция света, называется дифракционной решеткой(рис.6).

Простейшей дифракционной решеткой является система из N одинаковых параллельных щелей в плос-ком непрозрачном экране ширины b каждая, расположенных на равных непрозрачных промежутках ширины а. Величина d = b + а называется постоянной (периодом) дифракционной решетки.

По принципу Гюйгенса-Френеля каждая щель является источником вторичных когерентных волн, способных интерферировать друг с другом. Если на дифракционную решетку перпендикулярно к ней падает пучок параллельных лучей света, то под углом дифракции  на экране Э, расположенном в фокальной плоскости линзы, будет наблюдаться система дифракционных максимумов и минимумов, полученных в результате интерференции света от различных щелей.

Главные максимумы при дифракции на решетке наблюдаются под углами, удовлетворяющими усло-вию                 ,            

где n = 0, 1, 2, называется порядком главного максимума; d - период решетки.

Главные минимумы на дифракционной решетке наблюдаются под такими углами дифракции, для которых свет от разных частей каждой щели полностью гасится в результате интерференции. Условие главных минимумов совпадает с условием ослабления на одной щели

При наблюдении дифракции на дифракционной решетке в немонохроматическом свете все главные максимумы, кроме центрального нулевого максимума, окрашены. С увеличением длины волны главные максимумы внутри данного порядка располагаются под большими углами от центрального. Радужная полоска, содержащая семь цветов - от фиолетового до красного (считается от центрального максимума), называется дифракционным спектром. Дифракционная решетка является одним из простейших устройств

для измерения длин волн.