Импульс электромагнитной волны

Попадая на поверхность тела, электромагнитная волна производит давление. Объясним механизм этого явления.

Для простоты рассмотрим нормальное падение волна на поверхность тела. Под действием электрической составляющей волны свободные заряды в проводнике придут в движение, возникнут токи. В диэлектрике будут смещаться заряды, входящие в состав молекул. На движущиеся заряды со стороны магнитной составляющей волны будет действовать сила Лоренца. Из рисунка нетрудно видеть, что эта сила Лоренца направлена вглубь тела. Результирующая сил Лоренца создает давление на поверхность тела.

Согласно второму закону Ньютона сила, в нашем случае сила давления, равна изменению импульса тела в единицу времени . Под действием электромагнитной волны тело приобретает импульс! Откуда у тела появляется импульс? Объяснение может быть одно – электромагнитная волна переносит не только энергию, но и импульс. При взаимодействии с поверхностью тела ЭМВ передает ему свой импульс.

Плотность импульса электромагнитной волны – это импульс единицы объема:

Рассчитать плотность импульса несложно, используя эйнштейновскую формулу связи массы и энергии . Численно значение плотности импульса равно

Это выражение можно трактовать следующим образом – «масса единицы объема» умножается на скорость ее «перемещения» с.

Рассчитаем давление ЭМВ на абсолютно черную поверхность – такая поверхность поглощает волну, отраженной волны нет. За время dt волна передает поверхности импульс

,

Где - средняя плотность импульса в объеме , из которого волна дойдет до поверхности; S – площадь поверхности; - расстояние, пройденное волной за время dt.

Силу давления находим по второму закону Ньютона

Давление электромагнитной волна на абсолютно черную поверхность равно средней плотности энергии:

Очевидно, давление электромагнитной волны на идеальную зеркальную поверхность будет вдвое больше, чем на черную.

Давление ЭМВ было теоретически предсказано Максвеллом. Световое давление было экспериментально обнаружено и измерено П.Н. Лебедевым только в 1900 году, почти через 50 лет после предсказания Максвелла.