1. Введение. Несколько слов об электромагнитных волнах
В предыдущей части, посвещённой историческому обзору развития взглядов на природу света, мы уже говорили о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Сегодня поговорим об этой важной стороне световой природы более подробно.
Как известно из школьной физики, электрические заряды притягиваются или отталкиваются (в зависимости от их знаков). Это означает, что каждый заряд создаёт вокруг себя поле сил, действующих на другие заряды. Величина поля в каждой точке пространства характеризуется напряженностью (силой, действующей на заряд единичной величины). Заряд, движущийся с постоянной скоростью (постоянный ток) создаёт постоянное магнитное поле. А если заряд движется с переменной скоростью, например, совершает колебательные движения, то вокруг него возникают изменяющиеся во времени электрическое и магнитное поля. Причём, переменное электрическое поле создаёт переменное магнитное поле, и наоборот. Таким образом, поля начинают существовать уже независимо от вызвавшего их электрического заряда и могут распространяться, подпитывая друг друга, на значительные расстояния. Этот процесс называется электромагнитной волной. Заряд может перестать двигаться, а вызванная им волна будет расходиться всё дальше и дальше от источника (точно, как круги на воде от упавшего камня).
Электромагнитное поле, в общем случае, характеризуется двумя векторами напряженности - электрического и магнитного полей. Но когда мы имеем дело со световыми явлениями, оказывается, что в каждой точке пространства один из этих векторов полностью определяет и величину, и направление другого, поэтому достаточно рассматривать только один из них. Как правило, считают, что электромагнитная волна (в диапазоне видимого света и вне оптически анизотропных сред - кристаллов) полностью определяется её электрической составляющей - напряженностью электрического поля.
Рис.1.1. Колебания напряженности электрического поля в фиксированной точке пространства
Рассмотрим простейшую волну - гармоническую, то есть волну в которой в каждой точке пространства напряженность поля изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону. Зависимость напряженности от времени в некоторой фиксированной точке пространства показана на Рис.1.1. Здесь важно отметить, что колебание напряженности поля происходит по периодическому закону с периодом равным Т. Частота колебаний обратно пропорциональна периоду (f =1/T).
Рис.1.2. Распределение напряженности электрического поля в пространстве в фиксированный момент времени
Теперь давайте выделим некоторое направление в пространстве, вдоль которого распространяется волна и зафиксируем момент времени. Если построить зависимость величины напряженности поля вдоль этого направления (сделать, так сказать, мгновенную фотографию), то мы увидим ту же синусоиду, как показано на Рис. 2. Расстояние между двумя гребнями волны называется длиной волны 8, которая равна поизведению скорости света на период колебания (8=сТ). Рис.1. 2 соответствует определённому моменту времени, через малый промежуток картина несколько изменится, точки, в которых напряженность максимальна , несколько сместятся по оси Х. Наглядно этот процесс можно наблюдать на Рис.1.3.
Рис.1.3. Бегущая волна
Распространяясь таким образом в пространстве, электромагнитная волна переносит энергию. Надо отметить, что существуют электоромагнитные волны очень отличающиеся по частоте и, соответственно, по длине волны. Различают такие диапазоны длин волн как
- радиоволны (с длинами от 10 км до нескольких микрометров),
- инфракрасные волны (от 2 мкм до 0,76 мкм),
- световые волны, собственно те волны, которые способен воспринимать человеческий глаз (от 0,76 мкм до 0,4 мкм),
-ультрафиолетовые волны (от 0,4 мкм до 10 нм),
- рентгеновские волны (от 10 нм до 0,002 нм),
- гамма-излучение (менее 0,002 нм).
Как видим из всего многообразия электромагнитных колебаний, человеческий глаз воспринимает только очень узкий диапазон.
Очень важно понимать, что в действительности электромагнитные волны, излучаемые различными источниками, представляют собой сумму волн с разными длинами и разными направлениями распространения. Любой источник света излучает волны различной длины. Распределение мощности излучения в зависимости от длины волны называется спектральной плотностью или просто спектром излучения. У световых источников бывают очень разнообразные спектры.
Рис.1.4. Спектральная плотность излучения лампы накаливания
На Рис.1.4 показана спектральная плотность лампы накаливания (линейной галогенной лампы). На видимую область приходится только часть спектра, в то время как его основная часть (показана пунктиром) относится к инфракрасной области. Таким образом, излучение ламп накаливания не может быть использовано полностью, что и объясняет их малую экономичность.
Рис.1.5. Спектральная плотность излучения люминесцентной лампы
Типичный спектр люминесцентной лампы приведён на Рис.1.5. Характер распределения здесь совершенно другой, в спектре присутствуют несколько ярких линий. Это затрудняет восприятие цветов под таким освещением, но зато экономичность люминесцентных ламп много выше, чем ламп накаливания.
Рис.1.6. Спектральная плотность излучения белого светодиода
Для белых светодиодов или LED источников характерна форма спектра, показанная на Рис.1.6. Специфика спектра белого светодиода объясняется его устройством. Конструкция белых LED источников света представляет собой слой люминофора, свечение которого возбуждается излучением синего светодиода. Узкий всплеск излучения в синей области - это и есть излучение возбуждающего светодиода, а размазанная белая часть спектра- это собственно свет от люминофора. Весь спектр расположен в видимой области длин волн, что обуславливает высокую экономичность светодиодных ламп.
Продолжение следует.