Поперечность электромагнитных волн

Явления интерференции и дифракции, отчетливо выявляя волновые свойства света, не отвечают на вопрос, являются ли волны продольными или поперечными. Действительно, указанные явления наблюдаются для обоих типов волн любой природы. В частности, при одинаковой длине волны (например, волне длиной 3 см отвечает акустическая частота 10 кГц и оптическая, электромагнитная частота 1010 Гц) явления дифракции можно одинаково хорошо наблюдать на одних и тех же объектах. Электромагнитная теория света Максвелла предсказывает поперечность световых волн. Группа явлений, доказывающих справедливость предсказания Максвелла, называется явлениями поляризации света. На радиочастотах легко обнаружить поперечность излучаемых волн и их линейную поляризацию: если волна распространяется свободно, то электрический вектор сохраняет в пространстве неизменное направление; разумеется, то же’ справедливо и для магнитного вектора, перпендикулярного электрическому. Так, если излучение осуществляется прямолинейным проводом, а приемный провод параллелен передающему, то прием наиболее силен; при вращении приемного провода вокруг прямой, соединяющей его с передающим проводом, прием ослабевает и полностью исчезает, когда провода располагаются взаимно перпендикулярно. Из рисунка 7.1 видно, что проекция вектора напряженности (совпадающего с направлением передающего провода) на направление приемного провода РР составляет

Так как эта проекция определит ток в приемном устройстве, а интенсивность приема пропорциональна квадрату тока, то отсюда получается:

(7.1)

Это соотношение в оптике носит название закона Малюса.

Плоскость, содержащую вектор и направление распространяющегося от передатчика луча, принято называть плоскостью колебаний. Плоскость же, содержащую вектор магнитной индукции волны и луч, называют плоскостью поляризации. Очевидно, эти плоскости взаимно перпендикулярны.

 

Рис. 7.1

Рис 7.2

Такой же закон изменения интенсивности проходящей волны получается, если между параллельными излучателем и приемником поместить решетку из параллельных металлических проволок (в плоскости, нормальной вектору скорости волны) и вращать ее в собственной плоскости. Не пропущенная решеткой энергия волны отражается от решетки; небольшим поглощением в металле можно пренебречь.

Разумеется, при продольных колебаниях никакой поляризации быть не может, так как все плоскости, проходящие через луч, равноправны.

Для лучшего понимания опытов, обнаруживающих поперечность световых волн, рассмотрим предварительно несколько опытов с сантиметровыми электромагнитными волнами.

Генератор снабжен рупором, создающим линейную (плоскую) поляризацию излучаемых волн. Вектор электрического поля лежит параллельно узкой стороне рупора, что можно проверить на опыте, принимая волну прямолинейным проводником. Расположим передающий рупор 1 так, чтобы колебания вектора происходили в плоскости рисунка (рис. 7.2). Приемный рупор 2 располагаем так, чтобы он мог принимать излучение, отражаемое некоторым препятствием, если вектор приходящей волны лежит в плоскостирисунка. Это препятствие представляет собой набор параллельных проволок, расположенных в плоскостях, параллельных чертежу, и способных поворачиваться в этих плоскостях. При положении А всякому углу падения можно подобрать равный угол отражения а, и приемник всегда отметит прием, хотя и различной (для разных углов падения) интенсивности.

Но если расположить проволоки решетки в направлении отраженного луча (положение В), то прием прекращается. Причина этого понятна: так как возбужденные проволоки можно уподобить диполям (см. «Электричество и магнетизм», § 12.4), а диполи не излучают в направлении своей оси, то, когда эта ось совпадает с направлением отражения, определяемым принципом Гюйгенса, отраженный луч образоваться не может.

Если же повернуть оба рупора на 90° вокруг их осей, чтобы вектор стал перпендикулярен плоскости чертежа (а это есть плоскость падения!), то отражение от проволок, которые теперь следует также вывести из плоскости чертежа, существует всегда (конечно, в направлении отраженного луча, т. е. под углом α). И этот результат понятен: теперь ось диполя никогда не совпадает с направлением отраженного луча, а потому отражение всегда существует.

Итак, если электрический вектор падающего луча лежит в плоскости падения, то можно добиться исчезновения отраженного луча. Если же он перпендикулярен этой плоскости, то отражение уничтожить невозможно.