Электромагнитная теория света.  

В конце XIX века английский физик Дж.К.Максвелл на основе своих уравнений создал единую электромагнитную теорию световых волн, согласно которой, свет – это множество электромагнитных волн. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, которое характеризуется векторами напряженностей Е и Н электрического и магнитного полей. Согласно теории Максвелла, вектора Е и Н перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, откуда следует, что электромагнитные волны поперечны (рис. 1.3).

Если среда, в которой распространяется волна, однородная и изотропная, то векторы Е и Н удовлетворяют волновому уравнению:

где  - оператор Лапласа,  - фазовая скорость волны.

Если электромагнитная волна распространяется в направлении х, то волновые уравнения упрощаются:

Решения данных дифференциальных уравнений второго порядка можно представить в виде:

Е = Е0sin (ωt-kx+φ); H = H0sin (ωt-kx+φ).

Это уравнения плоской монохроматической электромагнитной волны, где Е0 и Н0 – амплитудные значения Е и Н, k = =ω/υ – волновое число, φ – начальная фаза колебания, х – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения электромагнитной волны. Электромагнитная волна называется монохроматической, если в ней происходят колебания только одной частоты. Мгновенные значения Е и Н в любой точке пространства связаны соотношением

,

где ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные, ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Колебания векторов Е и Н происходят синфазно, т.е. они одновременно обращаются в ноль и одновременно достигают максимальных значений. Скорость распространения света в среде или фазовая скорость волны рассчитывается по формуле, где с – скорость света в вакууме.

Электромагнитное поле обладает энергией, поэтому распространение световых волн связано с переносом энергии в пространстве. Энергия, переносимая волнами за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную фазовой скорости волны, называется плотностью потока энергии S электромагнитной волны. В векторном виде S = . Вектор S называется вектором Умова-Пойнтинга. Он совпадает по направлению со скоростью волны. Среднее значение плотности потока энергии S называют интенсивностью излучения I  (I=<S>).

Экспериментально доказано, что физиологическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора Е, поэтому он получил название светового вектора.