Энергия и импульс электромагнитной волны

На рис.23.1 изображена монохроматичная плоская линейно поляризованная волна. Если мы сделаем мгновенную “фотографию” этой волны, то в разных точках пространства вдоль оси х объемная плотность энергии магнитного и электрического полей будут меняться по гармоническому закону. Если вдоль оси х будет распространяться множество таких волн с разными частотами, фазами, амплитудами, то их суперпозиция будет представлять собой плоскую, не монохроматичную, не поляризованную волну, для которой в каждой точке пространства, где она распространяется, объемная плотность энергии будет одинаковой и равной:

,

поскольку для каждой волны амплитудные значения электрического и магнитного полей равны.

Плотность потока энергии – энергия, переносимая волной через единицу поверхности волнового фронта в единицу времени, будет равна:

.

Для линейно поляризованной волны можем определить вектор Пойнтинга (надеюсь, путаницы с обозначениями не возникнет, поскольку мы чаще всего используем вектор элементарной площадки , а вектор Пойнтинга – конечная величина):

. (25.1)

С электромагнитными волнами, по нашим современным представлениям, можно связать поток частиц – фотонов, масса которых равна нулю. Между энергией и импульсом каждого фотона есть связь (Механика 38.6 - ). Используя ее, мы можем определить плотность потока импульса электромагнитной волны:

. (25.2)

Он оказывается равен вектору Пойнтинга, деленному на скорость света.

Модуль величины стоящей слева – давление, которое электромагнитная волна будет оказывать на поглощающую поверхность при нормальном падении. Если волна будет нормально падать на идеально отражающую поверхность, то давление увеличится в два раза.