Što emitira elektromagnetske valove. Elektromagnetsko zračenje - definicija, vrste, karakteristike

Elektromagnetski valovi naziva procesom širenja u prostoru izmjeničnog elektromagnetskog polja. Teoretski, postojanje elektromagnetskih valova predvidio je engleski znanstvenik Maxwell 1865. godine, a prvi ih je eksperimentalno dobio njemački znanstvenik Hertz 1888. godine.

Formule koje opisuju oscilacije vektora i slijede iz Maxwellove teorije. Ravni monokromatski elektromagnetski val koji se širi duž osi x, opisan je jednadžbama

Ovdje E i H su trenutne vrijednosti, i E m i H m - vrijednosti amplitude električnih i magnetskih polja, ω - kružna frekvencija, k- valni broj. Vektori i osciliraju istom frekvencijom i fazom, međusobno su okomiti i, osim toga, okomiti su na vektor - brzinu širenja vala (slika 3.7). Odnosno, elektromagnetski valovi su poprečni.

U vakuumu se elektromagnetski valovi šire brzinom. U mediju s permitivnošću ε i magnetsku permeabilnost µ brzina širenja elektromagnetskog vala je:

Frekvencija elektromagnetskih oscilacija, kao i valna duljina, u principu mogu biti bilo koja. Klasifikacija valova po frekvenciji (ili valnoj duljini) naziva se ljestvica elektromagnetskih valova. Elektromagnetski valovi se dijele na nekoliko vrsta.

Radio valovi imaju valnu duljinu od 10 3 do 10 -4 m.

svjetlosni valovi uključuju:

rendgensko zračenje - .

Svjetlosni valovi su elektromagnetski valovi koji uključuju infracrvene, vidljive i ultraljubičaste dijelove spektra. Valne duljine svjetlosti u vakuumu koje odgovaraju primarnim bojama vidljivog spektra prikazane su u donjoj tablici. Valna duljina je dana u nanometrima.

Stol

Svjetlosni valovi imaju ista svojstva kao i elektromagnetski valovi.

1. Svjetlosni valovi su poprečni.

2. Vektori u osciliraju u svjetlosnom valu.

Iskustvo pokazuje da su sve vrste utjecaja (fiziološke, fotokemijske, fotoelektrične i dr.) uzrokovane oscilacijama električnog vektora. On je pozvan vektor svjetlosti .

Amplituda vektora svjetlosti E m se često označava slovom A a umjesto jednadžbe (3.30) koristi se jednadžba (3.24).

3. Brzina svjetlosti u vakuumu.

Brzina svjetlosnog vala u mediju određena je formulom (3.29). Ali za prozirne medije (staklo, voda) obično.

Za svjetlosne valove uvodi se pojam – apsolutni indeks loma.

Apsolutni indeks loma je omjer brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u danom mediju

Iz (3.29), uzimajući u obzir činjenicu da za transparentne medije možemo napisati jednakost.

Za vakuum ε = 1 i n= 1. Za bilo koje fizičko okruženje n> 1. Na primjer, za vodu n= 1,33, za staklo. Za medij s većim indeksom loma kaže se da je optički gušći. Omjer apsolutnih indeksa loma naziva se relativni indeks loma:

4. Frekvencija svjetlosnih valova je vrlo visoka. Na primjer, za crveno svjetlo s valnom duljinom.

Kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, frekvencija svjetlosti se ne mijenja, ali se mijenjaju brzina i valna duljina.

Za vakuum - ; za okoliš - , dakle

.

Dakle, valna duljina svjetlosti u mediju jednaka je omjeru valne duljine svjetlosti u vakuumu i indeksa loma

5. Budući da je frekvencija svjetlosnih valova vrlo visoka , tada oko promatrača ne razlikuje pojedinačne oscilacije, već percipira prosječne tokove energije. Tako se uvodi pojam intenziteta.

intenzitet je omjer prosječne energije koju nosi val prema vremenskom intervalu i površini mjesta okomito na smjer širenja vala:

Budući da je energija vala proporcionalna kvadratu amplitude (vidi formulu (3.25)), intenzitet je proporcionalan prosječnoj vrijednosti kvadrata amplitude

Karakteristika intenziteta svjetlosti, uzimajući u obzir njegovu sposobnost izazivanja vizualnih osjeta, je svjetlosni tok - F .

6. Valna priroda svjetlosti očituje se, na primjer, u takvim pojavama kao što su interferencija i difrakcija.

J. Maxwell je 1864. godine stvorio teoriju elektromagnetskog polja, prema kojoj električno i magnetsko polje postoje kao međusobno povezane komponente jedne cjeline - elektromagnetskog polja. U prostoru gdje postoji izmjenično magnetsko polje pobuđuje se izmjenično električno polje, i obrnuto.

Elektromagnetno polje- jedna od vrsta materije, koju karakterizira prisutnost električnih i magnetskih polja, povezanih kontinuiranom međusobnom transformacijom.

Elektromagnetsko polje širi se u prostoru u obliku elektromagnetskih valova. Fluktuacije vektora napetosti E i vektor magnetske indukcije B nastaju u međusobno okomitim ravninama i okomito na smjer širenja vala (vektor brzine).

Te valove emitiraju oscilirajuće nabijene čestice, koje se u isto vrijeme ubrzano kreću u vodiču. Kada se naboj kreće u vodiču, stvara se izmjenično električno polje koje stvara izmjenično magnetsko polje, a potonje pak uzrokuje pojavu izmjeničnog električnog polja već na većoj udaljenosti od naboja i tako dalje.

Elektromagnetsko polje koje se širi u prostoru tijekom vremena naziva se elektromagnetski val.

Elektromagnetski valovi mogu se širiti u vakuumu ili bilo kojoj drugoj tvari. Elektromagnetski valovi putuju brzinom svjetlosti u vakuumu c=3 10 8 m/s. U materiji je brzina elektromagnetskog vala manja nego u vakuumu. Elektromagnetski val nosi energiju.

Elektromagnetski val ima sljedeća osnovna svojstva:širi se pravocrtno, sposoban je lomiti se, reflektirati, ima fenomene difrakcije, interferencije, polarizacije. Sva ta svojstva su svjetlosni valovi koji zauzimaju odgovarajući raspon valnih duljina na ljestvici elektromagnetskog zračenja.

Znamo da je duljina elektromagnetskih valova vrlo različita. Gledajući ljestvicu elektromagnetskih valova koja pokazuje valne duljine i frekvencije različitih zračenja, razlikujemo 7 raspona: niskofrekventno zračenje, radio zračenje, infracrvene zrake, vidljivo svjetlo, ultraljubičaste zrake, x-zrake i gama zrake.

• valovi niske frekvencije . Izvori zračenja: visokofrekventne struje, alternator, električni strojevi. Koriste se za taljenje i kaljenje metala, proizvodnju trajnih magneta, u elektroindustriji.
• Radio valovi nastaju u antenama radijskih i televizijskih postaja, mobitela, radara itd. Koriste se u radijskim komunikacijama, televiziji i radaru.
• infracrveni valovi sva zagrijana tijela zrače. Primjena: topljenje, rezanje, lasersko zavarivanje vatrostalnih metala, fotografiranje u magli i mraku, sušenje drva, voća i bobičastog voća, uređaji za noćno gledanje.
• vidljivo zračenje. Izvori - Sunce, električna i fluorescentna svjetiljka, električni luk, laser. Primjene: rasvjeta, fotoelektrični efekt, holografija.
• ultraljubičasto zračenje . Izvori: Sunce, svemir, plinska (kvarcna) lampa, laser. Može ubiti patogene bakterije. Koristi se za otvrdnjavanje živih organizama.
• rendgensko zračenje .

Otkriće elektromagnetskih valova izvanredan je primjer interakcije između eksperimenta i teorije. Pokazuje kako je fizika spojila naizgled potpuno različita svojstva - elektricitet i magnetizam - otkrivajući u njima različite aspekte istog fizičkog fenomena - elektromagnetsku interakciju. Danas je to jedna od četiri poznate temeljne fizičke interakcije, koje također uključuju jake i slabe nuklearne interakcije i gravitaciju. Već je izgrađena teorija elektroslabe interakcije koja s jedinstvenog stajališta opisuje elektromagnetske i slabe nuklearne sile. Postoji i sljedeća objedinjujuća teorija - kvantna kromodinamika - koja pokriva elektroslabe i jake interakcije, ali je njezina točnost nešto niža. opisati svi Temeljne interakcije s jedinstvene pozicije još nisu postignute, iako se u tom smjeru provode intenzivna istraživanja u okviru područja fizike kao što su teorija struna i kvantna gravitacija.

Elektromagnetske valove teoretski je predvidio veliki engleski fizičar James Clark Maxwell (vjerojatno prvi put 1862. u svom djelu "O fizičkim linijama sile", iako se detaljan opis teorije pojavio 1867.). Marljivo i s velikim poštovanjem nastojao je prevesti na strogi matematički jezik pomalo naivne slike Michaela Faradayja koje su opisivale električne i magnetske pojave, kao i rezultate drugih znanstvenika. Nakon što je sve električne i magnetske fenomene uredio na isti način, Maxwell je otkrio niz proturječnosti i nedostatak simetrije. Prema Faradayjevu zakonu, izmjenična magnetska polja stvaraju električna polja. Ali nije bilo poznato stvaraju li izmjenična električna polja magnetska polja. Maxwell se uspio riješiti kontradikcije i vratiti simetriju električnog i magnetskog polja uvođenjem dodatnog člana u jednadžbe, koji je opisivao pojavu magnetskog polja pri promjeni električnog polja. U to vrijeme, zahvaljujući Oerstedovim pokusima, već je bilo poznato da istosmjerna struja stvara konstantno magnetsko polje oko vodiča. Novi pojam je opisao još jedan izvor magnetskog polja, ali bi se mogao smatrati nekom vrstom zamišljene električne struje, koju je Maxwell nazvao struja pristranosti razlikovati od obične struje u vodičima i elektrolitima – struja vodljivosti. Kao rezultat toga, pokazalo se da izmjenična magnetska polja stvaraju električna polja, a izmjenična električna polja generiraju magnetska. A onda je Maxwell shvatio da se u takvoj kombinaciji oscilirajuća električna i magnetska polja mogu odvojiti od vodiča koji ih generiraju i kretati se kroz vakuum određenom, ali vrlo velikom brzinom. Izračunao je ovu brzinu, a ispostavilo se da je oko tristo tisuća kilometara u sekundi.

Šokiran rezultatom, Maxwell piše Williamu Thomsonu (lordu Kelvinu, koji je posebno uveo apsolutnu temperaturnu ljestvicu): “Brzina oscilacija poprečnih valova u našem hipotetskom mediju, izračunata iz elektromagnetskih eksperimenata Kohlrauscha i Webera, podudara se tako da točno brzinom svjetlosti, izračunatom iz optičkih eksperimenata Fizeaua da teško možemo odbiti zaključak da svjetlost se sastoji od poprečnih vibracija istog medija, što je uzrok električnih i magnetskih pojava". I dalje u pismu: „Svoje jednadžbe sam dobio dok sam živio u provinciji i ne sumnjajući u blizinu brzine širenja magnetskih efekata koje sam pronašao brzini svjetlosti, pa mislim da imam sve razloge smatrati magnetski i svjetlosni mediji kao jedan te isti medij..."

Maxwellove jednadžbe daleko nadilaze okvire školskog kolegija fizike, ali su toliko lijepe i sažete da bi ih trebale postaviti na vidno mjesto u učionici fizike, jer se većina prirodnih fenomena koji su značajni za ljude može opisati samo nekoliko redaka ovih jednadžbi. Ovako se informacije komprimiraju kada se spoje prethodno različite činjenice. Ovdje je jedna od vrsta Maxwellovih jednadžbi u diferencijalnom prikazu. diviti se.

Želim naglasiti da se Maxwellovim proračunima dobila obeshrabrujuća posljedica: oscilacije električnog i magnetskog polja su poprečne (što je on sam cijelo vrijeme isticao). A poprečne vibracije šire se samo u čvrstim tvarima, ali ne i u tekućinama i plinovima. Do tada je pouzdano izmjereno da je brzina poprečnih titranja u čvrstim tijelima (jednostavno brzina zvuka) veća, što je, grubo rečeno, medij tvrđi (što je Youngov modul veći i gustoća manja) i može doseći nekoliko kilometara u sekundi. Brzina poprečnog elektromagnetskog vala bila je gotovo sto tisuća puta veća od brzine zvuka u čvrstim tvarima. I treba napomenuti da je karakteristika krutosti uključena u jednadžbu za brzinu zvuka u krutom tijelu ispod korijena. Pokazalo se da medij kroz koji prolaze elektromagnetski valovi (i svjetlost) ima monstruozne karakteristike elastičnosti. Postavilo se iznimno teško pitanje: "Kako se druga tijela mogu kretati kroz tako čvrsti medij, a da ga ne osjećaju?" Hipotetski medij nazvan je - eter, pripisujući mu ujedno čudna i, općenito govoreći, međusobno isključiva svojstva - ogromnu elastičnost i izuzetnu lakoću.

Maxwellov rad izazvao je šok među suvremenim znanstvenicima. Sam Faraday je s iznenađenjem napisao: "U početku sam se čak i uplašio kada sam vidio da se takva matematička sila primjenjuje na pitanje, ali onda sam se iznenadio kad sam vidio da to pitanje tako dobro podnosi." Unatoč činjenici da su Maxwellovi stavovi poništili sve tada poznate ideje o širenju poprečnih valova i o valovima općenito, dalekovidni su znanstvenici shvatili da je podudarnost brzine svjetlosti i elektromagnetskih valova temeljni rezultat, koji kaže da je ovdje fiziku čeka glavni iskorak.

Nažalost, Maxwell je rano umro i nije doživio pouzdanu eksperimentalnu potvrdu svojih proračuna. Međunarodno znanstveno mišljenje promijenilo se kao rezultat eksperimenata Heinricha Hertza, koji je 20 godina kasnije (1886–89) nizom eksperimenata pokazao stvaranje i primanje elektromagnetskih valova. Hertz ne samo da je u tišini laboratorija dobio točan rezultat, već je strastveno i beskompromisno branio Maxwellove stavove. Štoviše, nije se ograničio samo na eksperimentalni dokaz postojanja elektromagnetskih valova, već je istraživao i njihova osnovna svojstva (odbijanje od zrcala, lom u prizmama, difrakcija, interferencija itd.), pokazujući potpunu istovjetnost elektromagnetskih valova sa svjetlošću.

Zanimljivo je da je sedam godina prije Hertza, 1879., engleski fizičar David Edward Hughes (Hughes - D. E. Hughes) pokazao i drugim velikim znanstvenicima (među njima je bio i briljantni fizičar i matematičar Georg-Gabriel Stokes) učinak širenja elektromagnetskih valova u zraku. Kao rezultat rasprava, znanstvenici su došli do zaključka da vide fenomen Faradayeve elektromagnetske indukcije. Hughes je bio uznemiren, nije vjerovao sebi, te je rezultate objavio tek 1899., kada je Maxwell-Hertzova teorija postala općeprihvaćena. Ovaj primjer pokazuje da u znanosti uporno širenje i propaganda dobivenih rezultata često nije ništa manje važno od samog znanstvenog rezultata.

Heinrich Hertz je sažeo rezultate svojih eksperimenata na sljedeći način: "Opisani pokusi, kako mi se barem čini, otklanjaju sumnje u istovjetnost svjetlosti, toplinskog zračenja i elektrodinamičkog valnog gibanja."

Poglavlje 1

GLAVNI PARAMETRI ELEKTROMAGNETSKIH VALOVA

Što je elektromagnetski val, lako je zamisliti sljedeći primjer. Ako bacite kamenčić na površinu vode, tada se na površini formiraju valovi koji se razilaze u krugovima. Oni se kreću od izvora svog nastanka (perturbacije) određenom brzinom širenja. Za elektromagnetske valove, smetnje su električna i magnetska polja koja se kreću u prostoru. Elektromagnetsko polje koje se mijenja u vremenu nužno uzrokuje izmjenično magnetsko polje, i obrnuto. Ova polja su međusobno povezana.

Glavni izvor spektra elektromagnetskih valova je zvijezda Sunce. Dio spektra elektromagnetskih valova vidi ljudsko oko. Ovaj spektar se nalazi unutar 380...780 nm (slika 1.1). U vidljivom spektru, oko drugačije percipira svjetlost. Elektromagnetske oscilacije različitih valnih duljina uzrokuju osjet svjetlosti različitih boja.

Dio spektra elektromagnetskih valova koristi se za potrebe radio i televizijskog emitiranja i komunikacija. Izvor elektromagnetskih valova je žica (antena) u kojoj fluktuiraju električni naboji. Proces formiranja polja, koji je započeo u blizini žice, postupno, točku po točku, zahvaća cijeli prostor. Što je veća frekvencija izmjenične struje koja prolazi kroz žicu i stvara električno ili magnetsko polje, to su radio valovi određene duljine koje stvara žica intenzivniji.

Elektromagnetski valovi imaju sljedeće glavne karakteristike.

1. Valna duljina lv, - najkraća udaljenost između dvije točke u prostoru, na kojoj se faza harmonijskog elektromagnetskog vala mijenja za 360 °. Faza je stanje (faza) periodičnog procesa (slika 1.2).

U zemaljskom televizijskom emitiranju koriste se metarski (MB) i decimetarski valovi (UHF), u satelitskom - centimetrski valovi (CM). Kako se frekvencijski raspon CM-a popuni, svladat će se raspon milimetarskih valova (Ka-band).

2. Razdoblje valnih oscilacija T- vrijeme tijekom kojeg dolazi do jedne potpune promjene jakosti polja, tj. vrijeme tijekom kojeg točka radio vala, koja ima neku fiksnu fazu, putuje put jednaku valnoj duljini lb.

3. Frekvencija oscilacija elektromagnetskog polja F(broj oscilacija polja u sekundi) određuje se formulom

Jedinica frekvencije je herc (Hz) – frekvencija na kojoj se javlja jedna oscilacija u sekundi. U satelitskom emitiranju treba imati posla s vrlo visokim frekvencijama elektromagnetskih oscilacija mjerenih u gigahercima.

Za satelitsko izravno televizijsko emitiranje (SNTV) duž linije Svemir-Zemlja koriste se niski raspon C-pojasa i dio Ku raspona (10,7 ... 12,75 GGi). Gornji dio ovih raspona koristi se za prijenos informacija preko linije Zemlja-Svemir (tablica 1.1).

4. Brzina širenja vala IZ - brzina uzastopnog širenja vala iz izvora energije (antene).

Brzina širenja radio valova u slobodnom prostoru (vakumu) je konstantna i jednaka je brzini svjetlosti C= 300 000 km/s. Unatoč tako velikoj brzini, elektromagnetski val putuje duž linije Zemlja-Svemir-Zemlja za 0,24 s. Na zemlji se radijski i televizijski prijenosi mogu primati gotovo trenutno u bilo kojem trenutku. Kada se širi u stvarnom prostoru, na primjer, u zraku, brzina radio vala ovisi o svojstvima medija, obično je manja IZ na vrijednost indeksa loma medija.

Frekvencija elektromagnetskih valova F, brzina njihovog širenja C i valna duljina l povezani su relacijom

lv=C/F, i od tada F=1/T , tada je lv=C*T.

Zamjenom vrijednosti brzine S= 300 000 km/s u posljednju formulu, dobivamo

lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)

Za visoke frekvencije, valna duljina elektromagnetskog titranja može se odrediti formulom lv (m) = 300 / F (MHz) Poznavajući valnu duljinu elektromagnetske oscilacije, frekvencija se određuje formulom F (MHz) = 300 / lv (m)

5. Polarizacija radio valova. Električnu i magnetsku komponentu elektromagnetskog polja karakteriziraju vektori E i H koji pokazuju vrijednost jakosti polja i njihov smjer. Polarizacija je orijentacija vektora električnog polja E valovi u odnosu na površinu zemlje (slika 1.2).

Vrsta polarizacije radio valova određena je orijentacijom (položajem) odašiljačke antene u odnosu na površinu zemlje. I zemaljska i satelitska televizija koriste linearnu polarizaciju, tj. horizontalnu H i okomiti V (slika 1.3).

Radio valovi s horizontalnim vektorom električnog polja nazivaju se horizontalno polariziranim, a s vertikalnim - vertikalno polariziranim. Ravnina polarizacije posljednjih valova je okomita, a vektor H(vidi sliku 1.2) nalazi se u horizontalnoj ravnini.

Ako je odašiljačka antena postavljena vodoravno iznad tla, tada će linije električnog polja također biti horizontalne. U ovom slučaju, polje će inducirati najveću elektromotornu silu (EMF) u horizontali

Slika 1.4. Kružna polarizacija radio valova:

LZ- lijevo; RZ- pravo

kišobran postavljena prijemna antena. Stoga, kod H polarizacija radio valova, prijemna antena mora biti vodoravno orijentirana. U tom slučaju teoretski neće biti prijema radio valova na okomito postavljenoj anteni, budući da je EMF inducirana u anteni nula. Nasuprot tome, s okomitim položajem odašiljačke antene, prijemna antena također mora biti postavljena okomito, što će vam omogućiti da u njoj dobijete najveći EMF.

U televizijskom emitiranju s umjetnih Zemljinih satelita (AES), osim linearnih polarizacija, široko se koristi i kružna polarizacija. To je, začudo, zbog nepropusnosti zraka, budući da postoji veliki broj komunikacijskih satelita i satelita za izravno (izravno) televizijsko emitiranje u orbitama.

Često u tablicama satelitskih parametara daju kraticu za vrstu kružne polarizacije - L i R. Kružna polarizacija radio valova stvara, na primjer, stožastu spiralu na feedu odašiljačke antene. Ovisno o smjeru namota spirale, kružna polarizacija je lijeva ili desna (slika 1.4).

Sukladno tome, u ozračivač antene zemaljske satelitske televizije mora se ugraditi polarizator, koji reagira na kružnu polarizaciju radio valova koje emitira odašiljačka satelitska antena.

Razmotrimo pitanja modulacije visokofrekventnih oscilacija i njihovog spektra tijekom prijenosa sa satelita. Preporučljivo je to učiniti u usporedbi sa zemaljskim radiodifuznim sustavima.

Razmak između frekvencije nositelja slike i zvuka je 6,5 MHz, ostatak donjeg bočnog pojasa (lijevo od nosača slike) je 1,25 MHz, a širina audio kanala je 0,5 MHz

(slika 1.5). Imajući to na umu, pretpostavlja se da ukupna širina televizijskog kanala iznosi 8,0 MHz (prema D i K standardima usvojenim u zemljama ZND-a).

Odašiljačka televizijska postaja ima dva odašiljača. Jedan od njih prenosi električne signale slike, a drugi - zvuk, na različitim frekvencijama nositelja. Promjena nekog parametra visokofrekventne oscilacije nosioca (snaga, frekvencija, faza itd.) pod utjecajem niskofrekventnih oscilacija naziva se modulacija. Koriste se dvije glavne vrste modulacije: amplituda (AM) i frekvencija (FM). Na televiziji se signali slike prenose iz AM, a zvuk iz FM. Nakon modulacije, električne oscilacije se pojačavaju u snazi, zatim ulaze u odašiljačku antenu i zrače se njome u prostor (eter) u obliku radio valova.

8 zemaljskog televizijskog emitiranja, iz više razloga, nemoguće je koristiti FM za prijenos slikovnih signala. Na SM-u ima puno više mjesta u eteru, a takva prilika postoji. Kao rezultat toga, satelitski kanal (transponder) zauzima frekvencijski pojas od 27 MHz.

Prednosti frekvencijske modulacije signala podnosača:

manja osjetljivost na smetnje i šum u odnosu na AM, niska osjetljivost na nelinearnost dinamičkih karakteristika kanala za prijenos signala, kao i stabilnost prijenosa na velike udaljenosti. Ove karakteristike se objašnjavaju konstantnošću razine signala u kanalima prijenosa, mogućnošću korekcije frekvencije predizobličenja, što povoljno utječe na omjer signal-šum, zbog čega FM može značajno smanjiti snagu odašiljača pri prijenosu informacija preko ista udaljenost. Na primjer, zemaljski sustavi emitiranja koriste 5 puta snažnije odašiljače za prijenos slikovnih signala na istoj televizijskoj postaji nego za prijenos audio signala.