12.1.13. Заряженный плоский конденсатор раскачивают, перемещая его параллельно пластинам. С увеличением частоты колебаний $\nu$ средняя интенсивность $I$ излучаемых конденсатором электромагнитных волн сначала увеличивается, потом уменьшается до нуля, затем опять увеличивается и т.д. Чем объясняется такое чередование интенсивности излучения? При каких частотах конденсатор не излучает энергию? Оцените частоту, при которой наблюдаются 1-й и $k$-й максимумы излучения.
К задаче $12.1.13$
Решение
Представим пластины конденсатора как две плоскости с поверхностными зарядами $+\sigma$ и $-\sigma$. При движении со скоростью $v(t)$ они создают поверхностные токи $j_1 = \sigma v(t)$ и $j_2 = -\sigma v(t)$. Поскольку заряды противоположны, токи направлены в противоположные стороны, а значит, излучаемые ими электромагнитные волны имеют начальную разность фаз $\pi$ (находятся в противофазе).
Для далекого наблюдателя, находящегося на линии, перпендикулярной пластинам, волны от двух пластин проходят разные расстояния. Разность хода равна расстоянию между пластинами $d$. Эта разность хода создает дополнительную разность фаз $\Delta\varphi = \frac{2\pi}{\lambda}d = \frac{2\pi\nu d}{c}$.
Интенсивность излучения при наложении этих двух волн определяется интерференцией. Так как волны исходно в противофазе, полная разность фаз равна $\Phi = \pi + \frac{2\pi\nu d}{c}$. Интерференция будет деструктивной (интенсивность равна нулю), когда запаздывание на расстояние $d$ в точности компенсирует противофазность источников. Математически интенсивность пропорциональна $\sin^2\left(\frac{\pi\nu d}{c}\right)$. Конденсатор не излучает, когда этот множитель равен нулю: $$\frac{\pi\nu d}{c} = k\pi \implies \nu_k = k\frac{c}{d}, \quad \text{где } k = 1, 2, 3, \dots$$
Интерференция будет конструктивной (максимумы интенсивности), когда на расстоянии $d$ укладывается нечетное число полуволн, что усиливает противофазные источники: $$\frac{\pi\nu d}{c} = \left(k - \frac{1}{2}\right)\pi \implies \nu_k \approx \left(k - \frac{1}{2}\right)\frac{c}{d}, \quad \text{где } k = 1, 2, 3, \dots$$ Для 1-го максимума ($k=1$):$\nu_1 \approx \frac{c}{2d}$.
Примечание: Чередование объясняется интерференцией волн от двух пластин. То, что максимумы на графике становятся выше, связано с тем, что интенсивность излучения самого ускоренно движущегося заряда растет пропорционально квадрату частоты ($\nu^2$).
Ответ
Не излучает при $\nu = k\frac{c}{d}$; максимумы при $\nu_k \approx \left(k - \frac{1}{2}\right)\frac{c}{d}$, где $k = 1, 2, 3, \dots$