Щільність енергії та інтенсивність електромагнітної хвилі
Інтенсивність - скалярна фізична величина, що кількісно характеризує потужність, що переноситься хвилею в напрямку поширення. Чисельно інтенсивність дорівнює усередненої за період коливань хвилі потужності випромінювання, що проходить через одиничну площадку, розташовану перпендикулярно до напрямку поширення енергії. У математичній формі це може бути виражене в такий спосіб:
де - період хвилі, - потужність, що переноситься хвилею через майданчик.
Інтенсивність хвилі пов'язана з середньою щільністю енергії в хвилі і швидкістю поширення хвилі наступним співвідношенням:
Одиницею вимірювання інтенсивності в Міжнародній системі одиниць (СІ) є Вт / м², в системі СГС - ерг / с · см².
Об'ємна щільність енергії електромагнітного поля в лінійній ізотропної середовищі, як відомо з електродинаміки, дається виразом (ми врахували тут також зв'язок між векторами Е ін в електромагнітній хвилі):
Вектор щільності потоку енергії електромагнітної хвилі (то, що в теорії пружних хвиль називається вектором Умова) називається вектором Умова-Пойнтінга, або частіше просто вектором Пойнтінга Р.
Модуль середнього значення вектора Пойнтінга називається інтенсивністю електромагнітної хвилі:
У разі синусоїдальної монохроматичної плоскої (коли площини коливань векторів Е і Н не змінюються з часом) електромагнітної хвилі, що розповсюджується в напрямку х:
для інтенсивності виходить:
Слід звернути увагу, що інтенсивність електромагнітної хвилі залежить від амплітуди (або електричного, або магнітного поля; вони пов'язані), але не залежить від частоти хвилі - на відміну від інтенсивності пружних механічних хвиль.
У фізиці когерентністю називається скоррелірованность (узгодженість) декількох коливальних або хвильових процесів в часі, що виявляється при їх складанні. Коливання когерентні, якщо різниця їх фаз постійна в часі, і при складанні коливань виходить коливання тієї ж частоти.
Класичний приклад двох когерентних коливань - це два синусоїдальних коливання однакової частоти.
Когерентність хвилі означає, що в різних просторових точках хвилі осциляції відбуваються синхронно, тобто різниця фаз між двома точками не залежить від часу. Відсутність когерентності, отже - ситуація, коли різниця фаз між двома точками не постійна, а змінюється з часом. Така ситуація може мати місце, якщо хвиля була згенерована не єдина випромінювачем, а сукупністю однакових, але незалежних (тобто нескоррелірованних) випромінювачів.
Вивчення когерентності світлових хвиль призводить до понять тимчасової і просторової когерентності. При поширенні електромагнітних хвиль в волноводахмогут мати місце фазові сингулярності. У разі хвиль на воді когерентність хвилі визначає так звана друга періодичність.
Без когерентності неможливо спостерігати таке явище, як інтерференція.
Інтерференція хвиль - взаємне збільшення або зменшення результуючої амплітуди двох або кількох когерентних хвиль при їх накладенні один на одного. [1] Супроводжується чергуванням максимумів (пучностей) і мінімумів (вузлів) інтенсивності в просторі. Результат інтерференції (інтерференційна картина) залежить від різниці фазнакладивающіхся хвиль.
Інтерферувати можуть всі хвилі, проте стійка інтерференційна картина буде спостерігатися тільки в тому випадку, якщо хвилі мають однакову частоту і коливання в них не ортогональні. Інтерференція може бути стаціонарної і нестаціонарної. Стаціонарну інтерференційну картину можуть давати тільки повністю когерентні хвилі. Наприклад, дві сферичні хвилі на поверхні води, що поширюються від двох когерентних точкових джерел, при інтерференції дадуть результуючу хвилю, фронтом якої буде сфера.
При інтерференції енергія хвиль перерозподіляється в просторі. [1] Це не суперечить закону збереження енергії тому, що в середньому, для великої області простору, енергія результуючої хвилі дорівнює сумі енергій интерферирующих хвиль. [2]
При накладенні некогерентних хвиль середня величина квадрата амплітуди (тобто інтенсивність результуючої хвилі) дорівнює сумі квадратів амплітуд (інтенсивностей) накладаються хвиль. Енергія результуючих коливань кожної точки середовища дорівнює сумі енергій її коливань, обумовлених усіма некогерентними хвилями окремо. Саме відміну результуючої інтенсивності хвильового процесу від суми інтенсивностей його складових і є ознака інтерференції. [3]