Давление электромагнитной волны.

Механизм возникновения давления электромагнитной волны является следующим. Пусть на плоскую проводящую поверхность падает электромагнитная волна с волновым вектором . Электрическая компонента электромагнитного поля действует на заряд  с силой . Под действием этой силы заряд начинает смещаться. В результате возникает поверхностный ток . В металлах - это ток проводимости, в диэлектриках – ток смещения. Магнитная компонента  воздействует на движущийся заряд с силой , направленной вдоль , если учесть, что . Эта сила, отнесенная к единице поверхности, проявляется как давление, оказываемое волной на поверхность (рис.7.23).

Для расчета давления учтем, что:

         или    ,                  (7.73)

где  - плотность энергии излучения,  - вектор Пойнтинга.  имеет размерность Дж/с×м2. Из (7.73) видно, что:

,

где с - скорость волны в вакууме.

Световой поток обладает не только энергией, но и количеством движения  (количество движения на единицу объема). Размерность  есть Н×с. По определению, . , т.е. вектор  направлен в сторону распространения электромагнитной волны.

Давление , по определению, . Тогда:

.

Теперь рассчитаем давление электромагнитной волны. Рассмотрим площадку , на которую падает поток электромагнитного излучения с плотностью энергии  (рис.7.24). Площадка полностью поглощает энергию. В результате поглощения энергии количество движения электромагнитной волны станет равным нулю. Следовательно за время  произойдет изменение количества движения , численно равное количеству движения излучения в объеме цилиндра  (рис.7.20):

.                            (7.74)

Тогда , то есть давление электромагнитной волны на полностью поглощающую поверхность численно равно объемной плотности энергии электромагнитного потока. Если площадка – полностью отражающая, то плотности энергии в падающем и отраженном потоках равны. Тогда, изменение количества движения  и .

          В общем случае:

                     (7.75)

где  - коэффициент отражения; первое слагаемое определяет часть энергии, которая поглотится, второе – ту часть энергии, которая отразится.

          Световое давление Солнца впервые измерено Лебедевым (1900 г.). Оно равно , то есть на  ; на всю поверхность Земли световое давление Солнца .

          Для лазера с большой мощностью излучения давление гораздо больше, что видно при сравнении интенсивности излучения для Солнца  и лазера . Такой интенсивности излучения достаточно, чтобы удержать малую частицу 10-12 г в воздухе  составляет 10-12 г, т.е. сравнимо с ее весом). Это позволяет с помощью лазера вводить частицу в зону исследований, например в реакторе.

          Таким образом, показано, что электромагнитные волны обладают энергией, количеством движения (импульсом). Им может быть приписана определенная масса, равная переносимой энергии, деленной на квадрат скорости света. Все это указывает на то, что электромагнитные волны являются одной из форм материи.