Распространение электромагнитных волн в различных средах: как узнать скорость

Электромагнитной волной называется возмущение среды, распространяющееся с определённой скоростью. Где и как она распространяется, описывают законы Максвелла для магнитных и электрических явлений. Её источниками или переизлучателями являются практически все окружающие нас вещи. Рассмотрим законы, по которым распространяются электромагнитные волны (ЭМВ). Разберёмся, как определяется их скорость в вакууме, воздухе и прочих средах.

Особенности распространения электромагнитных волн в разных средах

Возмущение электромагнитного поля (ЭМВ) перемещается в вакууме – безвоздушной среде – со скоростью c = 299 992 458 м/с = ~300 тыс. км/с или свыше 1,08 млрд км/ч. Иные среды оказывают заметное влияние на скорость распространения электромагнитных полей. Их структурные элементы – атомы и молекулы – частично поглощают, отражают или рассеивают ЭМВ, создают препятствие на пути их движения. Вследствие, амплитуда волны снижается. Например, свет. Он замедляется и искажается практически любой преградой, даже прозрачным стеклом. Иные излучения ведут себя по-другому.

Фазовая скорость электромагнитной волны в среде вычисляется по формуле:

\nu = \frac { c } { \sqrt {εμ } } , где, ε и μ – электрическая и магнитная проницаемость среды (вещества) для рассматриваемого излучения. Поведение электромагнитного излучения зависит от его характеристик: частоты и длины волны.

Обычно величина  \sqrt {εμ } указывается в таблицах или даётся в условиях задач, поэтому формула упрощается до:

\nu = \frac { c } { n }, где n – коэффициент преломления среды.

Низкочастотное излучение

Радиоволны в частотном диапазоне до 10⁴ Гц в атмосфере распространяются на многие километры. Из-за большой длины (сотни – десятки километров) неплохо огибают препятствия, не задерживаются в водной толще, распространяются в земной коре.

Радиоволны

Это широкий спектр излучений, у которых при повышении частоты снижается способность огибать препятствия. Излучение радиодиапазона лучше НЧ поглощается и отражается препятствиями, особенно верхними слоями атмосферы. 

Световой диапазон

Излучение в терагерцовом диапазоне (видимый свет и ультрафиолет) почти прозрачны для атмосферы Земли, стекла, в воде заметно искажаются (замедляются). Ультрафиолет практически непрозрачен даже для обычного стекла. Большинство остальных сред для них – диэлектрики. У инфракрасных большая проницательная способность, чем у оптических.

Рентгеновские и γ-лучи

Излучения в частотном диапазоне от 10¹⁶ Гц всё лучше преодолевают препятствия с ростом частоты, ведь длина волны становится сравнимой с молекулами и атомами. Это позволяет лучам свободно распространяться даже в плотных материалах. Для гамма-излучения прозрачны даже тонкие металлические пластины.

Скорость излучения, которое не переносит информации, может превышать скорость света. Оно демонстрирует так называемое сверхсветовое движение.

Задача

Найти скорость света в алмазе.

Для технического алмаза n принимают за 2,42. Воспользуемся формулой: \nu = \frac { c } { n }. Всё известно, подставим данные.

\nu = \frac { c } { n } = \frac { 3*10^8 } { 2,42 } = 1,24 * 10^8 км/с.

Тесты

В вакууме скорость распространения электромагнитной волны равна:

1. 300 тыс. км/ч.
2. 299,9 тыс. км/с.
3. 1 млрд м/ч.