БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ИЗ)

Классическая теория излучения (теория Максвелла).Физические причины существования свободного электромагнитного поля (т. е. поля самоподдерживающегося, независимого от возбудивших его источников) тесно связаны с тем, что электромагнитные волны распространяются от источников — зарядов и токов — не мгновенно, а с конечной скоростью c (в вакууме c @ 3·10 10 см/сек ). Если источник И. (например, переменный ток) в какой-то момент исчезнет, это не приведет к мгновенному исчезновению поля во всем пространстве: в отдалённых от источника точках оно исчезнет лишь через конечный промежуток времени. Из теории Максвелла вытекает, что изменение во времени электрического поля Е порождает магнитное поле Н , а изменение Н — вихревое электрическое поле. Отсюда следует, что самоподдерживающимся может быть лишь переменное электромагнитное поле, в котором обе его компоненты — Е и Н , непрерывно изменяясь, постоянно возбуждают одна другую.

В процессе И. электромагнитное поле уносит от источника энергию. Плотность потока энергии этого поля (количество энергии, протекающей за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению потока) определяется Пойнтинга векторомП , который пропорционален векторному произведению [ ЕН ].

Интенсивность И. E излесть энергия, уносимая полем от источника в единицу времени. Порядок её величины можно оценить, вычислив произведение площади замкнутой поверхности, охватывающей источник на среднее значение абсолютной величины плотности потока П на этой поверхности ( П ~ EH ). Обычно поверхность выбирают в форме сферы радиуса R (её площадь ~ R ) и вычисляют E излв пределе R ® ¥:

(1)

( Е и Н — абсолютные величины векторов Е и Н ).

Для того чтобы эта величина не обращалась в ноль, т. е. чтобы вдали от источника существовало свободное электромагнитное поле, необходимо, чтобы и Е , и Н убывали не быстрее, чем 1 /R . Это требование удовлетворяется, если источниками полей являются ускоренно движущиеся заряды. Вблизи от зарядов поля' — кулоновские, пропорциональные 1 /R 2 , но на больших расстояниях основную роль начинают играть некулоновские поля Е и Н , имеющие закон убывания 1/ R .

И. движущегося заряда. Простейшим источником поля является точечный заряд. У покоящегося заряда И. отсутствует. Равномерно движущийся заряд (в пустоте) также не может быть источником И. Заряд же, движущийся ускоренно, излучает. Прямые вычисления на основе уравнений Максвелла показывают, что интенсивность его И. равна

(2)

где е — величина заряда, a — его ускорение. (Здесь и ниже используется Гауссова система единиц, см. СГС система единиц .) В зависимости от физической природы ускорения И. иногда приобретает особые наименования. Так, И., возникающее при торможении заряженных частиц в веществе в результате воздействия на них кулоновских полей ядер и электронов атомов, называется тормозным излучением . И. заряженной частицы, движущейся в магнитном поле, искривляющем её траекторию, называется синхротронным излучением (или магнитотормозным И.). Оно наблюдается, например, в циклических ускорителях заряженных частиц .

В частном случае, когда заряд совершает гармоническое колебание, ускорение а по величине равно произведению отклонения заряда от положения равновесия ( х = x 0sin w t , x 0— амплитуда отклонения х ) на квадрат частоты w. Усреднённая по времени t интенсивность И.

(3)

очень быстро (пропорционально w 4) растет при увеличении частоты.

Электрическое дипольное И. Простейшей системой, которая может быть источником И., являются два связанных друг с другом колеблющихся, равных по величине, разноимённых заряда. Они образуют диполь с переменным моментом. Если, например, заряды диполя совершают гармонические колебания навстречу друг другу, то дипольный электрический момент изменяется по закону d = d 0sin w t (w — частота колебаний, d 0— амплитуда момента d ). Усреднённая по времени t интенсивность И. такого диполя

(4)

И., расходящееся от колеблющегося диполя, неизотропно, т. е. энергия, испускаемая им в различных направлениях, неодинакова. Вдоль оси колебаний И. вообще отсутствует. Под прямым же углом к оси колебаний И. максимально. Для всех промежуточных направлений угловое распределение И. меняется пропорционально sin 2J, где угол J отсчитывается от направления оси колебаний. Если направление оси колебаний диполя меняется со временем, то усреднённое угловое распределение становится более сложным.

Реальные излучатели, как правило, включают множество зарядов. Точный учёт всех деталей движения каждого из них при исследовании И. излишен (а зачастую и невозможен). Действительно, И. определяется значениями полей вдали от источника, т. е. там, где детали распределения зарядов (и токов) в излучателе сказываются слабо. Это позволяет заменять истинное распределение зарядов приближённым. Самым грубым, «нулевым» приближением является рассмотрение излучающей системы как одного заряда, по величине равного сумме зарядов системы. У электронейтральной системы, сумма зарядов которой равна нулю, И. в этом приближении отсутствует. В следующем, первом, приближении положительные и отрицательные заряды системы по отдельности мысленно «стягиваются» к центрам своего распределения. Для электронейтральной системы это означает мысленную замену её электрическим диполем, излучающим согласно (4). Такое приближение называется дипольным, а соответствующее И. — электрическим дипольным И.

Электрическое квадрупольное и высшие мультипольные И. Если у системы зарядов дипольное И. отсутствует, например из-за равенства дипольного момента нулю, то необходимо учитывать следующее приближение, в котором система зарядов — источник И. — рассматривается как квадруполь , т. е. четырехполюсник. Простейший квадруполь — 2 диполя, имеющие равные по величине и противоположные по направлению моменты. Ещё более детальное описание излучающей системы зарядов даёт рассмотрение последующих приближений, в которых распределение зарядов описывается мультиполями (многополюсниками) высших порядков (диполь называется мультиполем 1-го, квадруполь — 2-го и т. д. порядков).