ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Энергетические характеристики излучения играют важную роль, так как определяют воздействия источников излучения на его приемники. Мы ознакомимся с одной из главных характеристик излучения. Плотность потока излучения. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию. На рисунке 124 изображена такая площадка; прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями (см. § 46). Плотностью потока электромагнитного излучения / называют отношение электромагнитной энергии AW, проходящей за время At через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время At: Фактически это мощность электромагнитного излучения (энергия в единицу времени), проходящего через единицу площади поверхности. Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Иногда эту величину называют интенсивностью волны. Выразим / через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью 5, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cAt (рис. 125). Объем цилиндра AV=ScAt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: AW=wcAtS. Вся эта энергия за время At пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому из (7.1) получаем , wcAtS ,-7 пч {=~SaT ~wc> (7-2) т.е. плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения. Найдем зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника. Для этого надо ввести еще одно новое понятие. Точечный источник излучения. Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник. Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оценивается его действие. Кроме того, предполагается, что такой источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью1. Точечный источник — такая же идеализация реальных источников, как и другие модели, принятые в физике: материальная точка, идеальный газ и т. д. Звезды излучают свет, т. е. электромагнитные волны. Так как расстояния до звезд в огромное число раз превышают их размеры, то именно звезды представляют собой лучшую модель точечных источников. Зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника. Энергия, которую несут с собой электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, переносимая через единичную площадку ' Вибратор Герца таким источником не является: излучаемая им энергия зависит от направления относительно оси вибратора. за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника. Выяснить зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника можно, если поместить точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S=4nR2. Если считать, что источник по всем направлениям за время At излучает энергию ' Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника Зависимость плотности потока излучения от частоты. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц (. Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению а излучающих частиц. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорциональны квадрату частоты:  Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения / с учетом (7.2) пропорциональна:  Так как согласно (7.4)  Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. При увеличении частоты колебаний заряженных частиц в два раза излучаемая энергия возрастает в 16 раз! В антеннах радиостанций поэтому возбуждаются колебания больших частот: от десятков тысяч до десятков миллионов герц. Электромагнитные волны переносят энергию. Плотность потока излучения (интенсивность волны) равна произведению плотности энергии на скорость ее распространения. Интенсивность волны пропорциональна четвертой степени частоты и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. 1 Точно так же убывает с расстоянием в любом направлении плотность потока излучения от вибратора Герца. Какую величину называют плотностью потока электромагнитного излучения! 2. Какой источник излучения называется точечным! 3. Почему переменный ток в осветительной сети практически не излучает электромагнитные волны!