Mi az elektromágneses hullám - Knowledge Hipermarket. Elektromágneses hullámok - tulajdonságai és jellemzői

Sok minta hullámfolyamatok univerzális jellegűek, és egyformán érvényesek a különböző természetű hullámokra: mechanikai hullámok rugalmas közegben, hullámok a víz felszínén, kifeszített húrban stb. Nem kivételek és elektromágneses hullámok, amely az oszcillációk terjedésének folyamatát jelenti elektromágneses mező. De eltérően más típusú hullámoktól, amelyek valamilyen anyagi közegben terjednek, az elektromágneses hullámok terjedhetnek vákuumban: nincs szükség anyagi közegre az elektromos és mágneses mezők terjedéséhez. Az elektromágneses hullámok azonban nemcsak vákuumban létezhetnek, hanem anyagban is.

Az elektromágneses hullámok előrejelzése. Az elektromágneses hullámok létezését Maxwell elméletileg az elektromágneses teret leíró egyenletrendszerének elemzése eredményeként jósolta meg. Maxwell kimutatta, hogy vákuumban elektromágneses tér létezhet még források - töltések és áramok - hiányában is. A források nélküli mezőnek véges, cm/s sebességgel terjedő hullámformája van, amelyben az elektromos és mágneses mező vektorai minden időpillanatban a tér minden pontjában merőlegesek egymásra és merőlegesek a hullám irányára. szaporítás.

Kísérletileg az elektromágneses hullámokat Hertz fedezte fel és tanulmányozta csak 10 évvel Maxwell halála után.

nyitott vibrátor. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehet kísérleti úton elektromágneses hullámokat nyerni, vegyünk egy „nyitott” rezgőkört, amelyben a kondenzátorlapok el vannak távolítva (176. ábra), és ezért 176. elektromos mező nagy teret foglal el. A lemezek közötti távolság növekedésével a kondenzátor C kapacitása csökken, és a Thomson-képletnek megfelelően nő a természetes rezgések gyakorisága. Ha az induktivitást is kicseréljük egy drótdarabra, akkor az induktivitás csökken, a sajátfrekvencia pedig még tovább nő. Ebben az esetben nemcsak az elektromos, hanem a mágneses tér is, amely korábban a tekercs belsejében volt, most egy nagy területet fog elfoglalni, amely ezt a vezetéket lefedi.

Az áramkörben az oszcillációk gyakoriságának növekedése, valamint annak növekedése lineáris méretek, ahhoz vezet, hogy az időszak saját

Az oszcilláció összehasonlíthatóvá válik az elektromágneses tér terjedési idejével a teljes áramkör mentén. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen nyitott áramkörben a természetes elektromágneses rezgések folyamatai már nem tekinthetők kvázi-stacionáriusnak.

Rizs. 176. Átállás rezgőkörről nyitott vibrátorra

Az áramerősség a különböző helyein egyidejűleg eltérő: az áramkör végein mindig nulla, középen (ahol a tekercs volt) pedig maximális amplitúdóval rezeg.

Abban a határesetben, amikor az oszcilláló áramkör egyszerűen egyenes huzalszakasszá alakult, az áramkör egy adott időpontban történő eloszlását a 1. ábra mutatja. 177a. Abban a pillanatban, amikor egy ilyen vibrátorban az áramerősség maximális, az azt lefedő mágneses tér is eléri a maximumot, és a vibrátor közelében nincs elektromos tér. A periódus negyede után megszűnik az áramerősség, és vele együtt a mágneses tér is a vibrátor közelében; Az elektromos töltések a vibrátor végeihez közel koncentrálódnak, és eloszlásuk a 2. ábrán látható formában történik. 1776. Az elektromos tér a vibrátor közelében ebben a pillanatban maximális.

Rizs. 177. Az áramerősség eloszlása ​​nyitott vibrátor mentén abban a pillanatban, amikor az maximális (a), és a töltések eloszlása ​​az időszak negyede után (b)

Ezek a töltés- és áramoszcillációk, azaz az elektromágneses rezgések egy nyitott vibrátorban, meglehetősen analógok az oszcillátorrugóban előforduló mechanikai rezgésekkel, ha eltávolítják a hozzá kapcsolódó hatalmas testet. Ebben az esetben figyelembe kell venni a rugó egyes részeinek tömegét, és elosztott rendszernek kell tekinteni, amelyben minden elem rugalmas és inert tulajdonságokkal rendelkezik. Nyitott elektromágneses vibrátor esetén minden eleme egyidejűleg rendelkezik induktivitás és kapacitás is.

A vibrátor elektromos és mágneses mezői. A nyitott vibrátor rezgésének nem kvázi-stacionárius jellege ahhoz vezet, hogy a vibrátortól bizonyos távolságban lévő egyes szakaszai által létrehozott mezők már nem kompenzálják egymást, mint a „zárt” oszcillációs áramkör esetében. csomósított paraméterek, ahol az oszcillációk kvázi-stacionáriusak, az elektromos tér teljes egészében a kondenzátor belsejében koncentrálódik, a mágneses pedig a tekercs belsejében. Az elektromos és mágneses mezők ilyen térbeli elválasztása miatt nem kapcsolódnak közvetlenül egymáshoz: kölcsönös átalakulásuk csak az áramkör mentén történő áram-töltés átvitelnek köszönhető.

Nyitott vibrátornál, ahol az elektromos és a mágneses tér átfedi egymást a térben, kölcsönös hatásuk következik be: a változó mágneses tér örvényvillamos teret, a változó elektromos tér pedig mágneses teret hoz létre. Ennek eredményeként lehetséges az ilyen „önfenntartó” mezők létezése, amelyek szabad térben terjednek a vibrátortól nagy távolságra. Ezek a vibrátor által kibocsátott elektromágneses hullámok.

Hertz kísérletei. A vibrátor, melynek segítségével G. Hertz 1888-ban elsőként kapott kísérletileg elektromágneses hullámokat, egyenes vezető volt, középen kis légréssel (178a. ábra). Ennek a résnek köszönhetően jelentős töltések érkezhettek a vibrátor két felére. Amikor a potenciálkülönbség elért egy bizonyos határértéket, a légrésben meghibásodás történt (szikra ugrott), és elektromos töltések áramolhattak át az ionizált levegőn a vibrátor egyik feléből a másikba. Nyitott áramkörben elektromágneses rezgések keletkeztek. Annak érdekében, hogy a gyors váltakozó áramok csak a vibrátorban létezzenek, és ne zárjanak be az áramforráson keresztül, fojtótekercset kötöttek a vibrátor és a forrás közé (lásd 178a. ábra).

Rizs. 178. Hertz vibrátor

A vibrátorban magas frekvenciájú rezgések mindaddig léteznek, amíg a szikra bezárja a felei közötti rést. Az ilyen rezgések csillapítása a vibrátorban elsősorban nem az ellenállás Joule-veszteségei miatt következik be (mint egy zárt oszcillációs körben), hanem az elektromágneses hullámok sugárzása miatt.

Az elektromágneses hullámok észlelésére a Hertz egy második (vevő) vibrátort használt (1786. ábra). Az emitterből érkező hullám váltakozó elektromos mezőjének hatására a vevő vibrátorban lévő elektronok kényszerrezgéseket hajtanak végre, azaz a vibrátorban gyorsan váltakozó áramot gerjesztenek. Ha a vevő vibrátor méretei megegyeznek a kibocsátóéval, akkor a természetes elektromágneses rezgések frekvenciája bennük egybeesik, és a vevővibrátorban a kényszerrezgések a rezonancia hatására észrevehető értéket érnek el. Ezeket az oszcillációkat a Hertz a vevővibrátor közepén lévő mikroszkopikus résben lévő szikra áthaladásával vagy a vibrátor felei közé csatlakoztatott miniatűr G gázkisülési cső izzása révén észlelte.

Hertz nemcsak kísérletileg bizonyította az elektromágneses hullámok létezését, hanem először kezdte el tanulmányozni tulajdonságaikat - abszorpciót és fénytörést különböző közegekben, visszaverődést fém felületek stb. Kísérletileg meg lehetett mérni az elektromágneses hullámok sebességét is, amelyről kiderült, hogy megegyezik a fénysebességgel.

Az elektromágneses hullámok sebességének jóval a felfedezésük előtt mért fénysebességgel való egybeesése szolgált kiindulópontul a fény elektromágneses hullámokkal való azonosításához és a fény elektromágneses elméletének megalkotásához.

Az elektromágneses hullám térforrások nélkül létezik abban az értelemben, hogy a kibocsátása után a hullám elektromágneses tere nem kapcsolódik a forráshoz. Ily módon az elektromágneses hullám különbözik a statikus elektromos és mágneses mezőktől, amelyek nem léteznek a forrástól elkülönítve.

Az elektromágneses hullámok sugárzási mechanizmusa. Az elektromágneses hullámok kisugárzása az elektromos töltések felgyorsult mozgásával jön létre. A J. Thomson által javasolt alábbi egyszerű érvelés segítségével megérthető, hogyan keletkezik egy hullám keresztirányú elektromos tere egy ponttöltés sugárirányú Coulomb-teréből.

Rizs. 179. Mozgásképtelen ponttöltés mezeje

Tekintsük a ponttöltés által létrehozott elektromos teret, ha a töltés nyugalmi állapotban van, akkor annak elektrosztatikus terét a töltésből kilépő sugárirányú erővonalak ábrázolják (179. ábra). Legyen abban a pillanatban a töltés valamilyen külső erő hatására a gyorsulással kezd el mozogni, majd egy idő után ennek az erőnek a hatása leáll, így a töltés egyenletesen halad tovább egy sebességgel. ábrán látható. 180.

Képzeljünk el egy képet az e töltés által létrehozott elektromos tér vonalairól, hosszú idő után. Mivel az elektromos tér c fénysebességgel terjed,

akkor a töltés mozgása okozta elektromos tér változása nem érhette el a sugárgömbön kívül eső pontokat: ezen a gömbön kívül a tér ugyanaz, mint az álló töltésnél (181. ábra). Ennek a mezőnek az erőssége (a Gauss-féle mértékegységrendszerben) egyenlő

A töltés felgyorsult időbeni mozgásából adódó elektromos tér teljes változása az idő pillanatában egy vékony, gömb alakú vastagságú réteg belsejében van, amelynek külső sugara egyenlő és a belső - Ezt mutatja az 1. ábra. 181. A sugárgömbön belül az elektromos tér egy egyenletesen mozgó töltés tere.

Rizs. 180. Díjdíj grafikon

Rizs. 181. ábra szerinti grafikon szerint mozgó töltés elektromos térerősségének vonalai. 180

Rizs. 182. Egy gyorsított mozgó töltés sugárzási mezőjének intenzitásának képletéhez

Ha a töltési sebesség jóval kisebb, mint a c fénysebesség, akkor ez a mező az időpillanatban egybeesik a kezdettől távol eső stacioner ponttöltés mezejével (181. ábra): a töltés tere lassan. Az állandó sebességgel haladva együtt mozog vele, és a töltés által megtett távolságot időben, amint az az ábrán látható. 180, egyenlőnek tekinthető, ha r»t.

A gömbrétegen belüli elektromos tér képét az erővonalak folytonossága miatt könnyű megtalálni. Ehhez össze kell kötni a megfelelő sugárirányú erővonalakat (181. ábra). A töltés felgyorsult mozgásából adódó erővonalak törése c sebességgel "elszalad" a töltéstől. Megtört az erővonalak között

gömbök, ez a számunkra érdekes sugárzási mező, amely c sebességgel terjed.

A sugárzási tér meghatározásához vegyük figyelembe az egyik intenzitásvonalat, amely bizonyos szöget zár be a töltésmozgás irányával (182. ábra). Bontsuk fel az E törésben lévő elektromos térerősség vektorát két komponensre: radiálisra és keresztirányúra, a radiális komponens az erő elektrosztatikus mező, a töltés hozta létre távol tőle:

A keresztirányú komponens a gyorsított mozgás során a töltés által kibocsátott hullám elektromos mezőjének erőssége. Mivel ez a hullám a sugár mentén fut, a vektor merőleges a hullám terjedésének irányára. ábrából A 182 ezt mutatja

Ezt a (2)-ből helyettesítve azt találjuk

Tekintettel arra, hogy az arány az a gyorsulás, amellyel a töltés 0-ról időintervallumban elmozdult, ezt a kifejezést átírjuk a következő alakba:

Mindenekelőtt arra figyelünk, hogy a hullám elektromos mezőjének erőssége a középponttól való távolsággal fordítottan csökken, ellentétben az elektrosztatikus tér erősségével, amely arányos a távolságtól való ilyen függéssel, és elvárható, ha figyelembe vesszük az energiamegmaradás törvényét. Mivel nincs energiaelnyelés, amikor egy hullám üregben terjed, a tetszőleges sugarú gömbön áthaladó energia mennyisége azonos. Mivel egy gömb felülete arányos a sugara négyzetével, a felületének egy egységén áthaladó energiaáramnak fordítottan arányosnak kell lennie a sugár négyzetével. Tekintettel arra, hogy a hullám elektromos mezőjének energiasűrűsége egyenlő, arra a következtetésre jutunk

Megjegyezzük továbbá, hogy a (4) képletben szereplő hullám térerőssége az adott pillanatban a töltés gyorsulásától függ, és abban az időpillanatban, amikor az adott pillanatban kisugárzott hullám egy idő után egy távoli pontot ér el. egyenlő

Rezgő töltés kisugárzása. Tételezzük fel most, hogy a töltés az origó közelében állandóan egy egyenes mentén mozog némi változó gyorsulással, például harmonikus rezgéseket hajt végre. Amíg van, folyamatosan elektromágneses hullámokat bocsát ki. A hullám elektromos térerősségét a koordináták kiindulópontjától távolabb eső pontban továbbra is a (4) képlet határozza meg, és az időpillanatbeli mező az a töltés egy korábbi pillanatbeli gyorsulásától függ.

Legyen a töltés mozgása egy bizonyos A amplitúdóval és w frekvenciájú origó közelében harmonikus rezgés:

A töltés gyorsulását egy ilyen mozgás során a kifejezés adja meg

A töltésgyorsulást az (5) képletbe behelyettesítve kapjuk

Az elektromos tér változása egy ilyen hullám áthaladásának bármely pontján harmonikus rezgés, amelynek frekvenciája , azaz egy oszcilláló töltés monokromatikus hullámot sugároz. Természetesen a (8) képlet az A töltéslengés amplitúdójánál nagyobb távolságokra érvényes.

Az elektromágneses hullám energiája. A töltés által kibocsátott monokromatikus hullám elektromos mezőjének energiasűrűsége a (8) képlet segítségével meghatározható:

Az energiasűrűség arányos a töltéslengés amplitúdójának és a frekvencia negyedik hatványának négyzetével.

Bármilyen ingadozás az energia időszakos átmenetével jár az egyik formából a másikba és fordítva. Például egy mechanikus oszcillátor rezgését a kinetikus energia és a rugalmas deformáció potenciális energiájának kölcsönös átalakulása kíséri. Az áramkör elektromágneses rezgésének vizsgálatakor azt láttuk, hogy a mechanikus oszcillátor potenciális energiájának analógja a kondenzátorban lévő elektromos mező energiája, a kinetikus energia analógja pedig a tekercs mágneses terének energiája. Ez az analógia nem csak a lokalizált rezgésekre érvényes, hanem a hullámfolyamatokra is.

Egy elasztikus közegben haladó monokromatikus hullámban a kinetikus és potenciális energiasűrűségek minden ponton megduplázott frekvenciájú harmonikus rezgéseket hajtanak végre, oly módon, hogy értékeik bármikor egybeesjenek. Ugyanígy van ez a haladó monokromatikus elektromágneses hullámban is: az elektromos és a mágneses tér energiasűrűsége, frekvenciával harmonikus rezgést okozva, minden pillanatban megegyezik egymással.

A mágneses tér energiasűrűségét B indukcióval fejezzük ki a következőképpen:

Egy utazó elektromágneses hullámban az elektromos és mágneses mezők energiasűrűségét egyenlővé tesszük, meggyőződésünk, hogy egy ilyen hullámban a mágneses tér indukciója ugyanúgy függ a koordinátáktól és az időtől, mint az elektromos térerősség. Más szóval, egy haladó hullámban a mágneses tér indukciója és az elektromos térerősség minden pillanatban megegyezik egymással (a Gauss-féle mértékegységrendszerben):

Elektromágneses hullám energiaáramlása. Az elektromágneses tér teljes energiasűrűsége egy haladó hullámban kétszerese az elektromos tér energiasűrűségének (9). A hullám által hordozott y energiaáram-sűrűség egyenlő az energiasűrűség és a hullámterjedési sebesség szorzatával. A (9) képlet segítségével látható, hogy az energiaáram bármely felületen a frekvenciával oszcillál.Az energiaáram-sűrűség átlagos értékének meghatározásához szükséges a (9) kifejezés időbeli átlagolása. Mivel az átlagérték 1/2, azt kapjuk

Rizs. 183. Lengő töltés által kibocsátott energia szögeloszlása

A hullám energiaáramának sűrűsége az iránytól függ: abban az irányban, amelyben a töltésrezgések előfordulnak, egyáltalán nem bocsátanak ki energiát. A legnagyobb szám erre az irányra merőleges síkban energiát bocsátunk ki.A rezgőtöltés által kibocsátott energia szögeloszlását a ábra mutatja. 183. A töltés egy tengely mentén oszcillál

energiairány, azaz a diagram egy vonalat mutat, amely e szakaszok végeit összeköti.

Az energia térbeli irányok szerinti eloszlását egy felület jellemzi, amelyet a diagram tengely körüli elforgatásával kapunk

Az elektromágneses hullámok polarizációja. A vibrátor által a harmonikus rezgések során keltett hullámot monokromatikusnak nevezzük. A monokromatikus hullámot egy bizonyos co frekvencia és X hullámhossz jellemzi. A hullámhossz és a frekvencia összefügg a c hullámterjedési sebességgel:

A vákuumban lévő elektromágneses hullám keresztirányú: a hullám elektromágneses térerősségének vektora, amint az a fenti okfejtésből is látható, merőleges a hullámterjedés irányára. Rajzoljuk át a Р megfigyelési pontot az ábrán. 184 origó középpontú gömb, amely körül a sugárzó töltés a tengely mentén oszcillál. Rajzolj rá párhuzamokat és meridiánokat. Ekkor a hullámtér E vektora érintőlegesen irányul a meridiánra, a B vektor pedig merőleges az E vektorra és érintőlegesen a párhuzamosra.

Ennek igazolására vizsgáljuk meg részletesebben az elektromos és a mágneses mezők kapcsolatát egy utazó hullámban. Ezek a mezők a hullám kibocsátása után már nem kapcsolódnak a forráshoz. Amikor a hullám elektromos tere megváltozik, mágneses tér keletkezik, amelynek erővonalai, amint azt az elmozdulási áram vizsgálatánál láttuk, merőlegesek az elektromos tér erővonalaira. Ez a váltakozó mágneses tér változása egy örvény elektromos tér megjelenéséhez vezet, amely merőleges az azt létrehozó mágneses térre. Így a hullám terjedése során az elektromos és a mágneses tér támogatja egymást, és mindvégig egymásra merőlegesek maradnak. Mivel egy haladó hullámban az elektromos és a mágneses tér változása egymással fázisban történik, a hullám pillanatnyi „portréja” (E és B vektorok különböző pontokat vonalak a terjedési irány mentén) az ábrán látható formájú. 185. Az ilyen hullámot lineárisan polarizáltnak nevezzük. A harmonikus oszcilláló töltés lineárisan polarizált hullámokat sugároz minden irányba. Egy tetszőleges irányban haladó lineárisan polarizált hullámban az E vektor mindig ugyanabban a síkban van.

Mivel a lineáris elektromágneses vibrátor töltései éppen ilyen oszcilláló mozgást végeznek, a vibrátor által kibocsátott elektromágneses hullám lineárisan polarizált. Ezt könnyű kísérletileg ellenőrizni, ha megváltoztatjuk a vevő vibrátor irányát a kibocsátóhoz képest.

Rizs. 185. Elektromos és mágneses mezők haladó lineárisan polarizált hullámban

A jel akkor a legnagyobb, ha a vevő vibrátor párhuzamos a kibocsátóval (lásd 178. ábra). Ha a vevő vibrátort merőlegesen fordítják a kibocsátó vibrátorra, akkor a jel eltűnik. A vevő vibrátorban elektromos oszcillációk csak a vibrátor mentén irányított hullám elektromos mezőjének összetevője miatt jelenhetnek meg. Ezért egy ilyen kísérlet azt jelzi, hogy a hullám elektromos mezője párhuzamos a sugárzó vibrátorral.

A transzverzális elektromágneses hullámok más típusú polarizációja is lehetséges. Ha például az E vektor a hullám áthaladásának egy pontján egyenletesen forog a terjedési irány körül, abszolút értékében változatlan marad, akkor a hullámot cirkulárisan polarizáltnak vagy cirkulárisan polarizáltnak nevezzük. Egy ilyen elektromágneses hullám elektromos mezőjének pillanatnyi "portréja" látható a 2. ábrán. 186.

Rizs. 186. Elektromos tér mozgó, körkörösen polarizált hullámban

Körkörösen polarizált hullámot úgy kaphatunk, hogy összeadunk két, azonos frekvenciájú és amplitúdójú, azonos irányban terjedő, lineárisan polarizált hullámot, amelyekben az elektromos térvektorok egymásra merőlegesek. Mindegyik hullámban az elektromos térvektor minden pontban harmonikus rezgést hajt végre. Ahhoz, hogy az ilyen, egymásra merőleges oszcillációk összege a kapott vektor elfordulását eredményezze, fáziseltolásra van szükség, vagyis az összeadandó lineárisan polarizált hullámokat a hullámhossz negyedével kell eltolni egymáshoz képest.

Hullám lendület és fénynyomás. Az energiával együtt az elektromágneses hullámnak lendülete is van. Ha egy hullám elnyelődik, akkor a lendülete átadódik az azt elnyelő tárgynak. Ebből következik, hogy az abszorpció során az elektromágneses hullám nyomást gyakorol a gátra. A hullámnyomás eredete és ennek a nyomásnak az értéke a következőképpen magyarázható.

Egyenes vonalban irányítva. Ekkor a P töltés által elnyelt teljesítmény egyenlő

Feltételezzük, hogy a beeső hullám összes energiáját elnyeli a gát. Mivel a hullám egységnyi idő alatt a gát felületének egységnyi területén hoz energiát, a hullám normál beesésénél kifejtett nyomás megegyezik a hullám energiasűrűségével. Az elnyelt elektromágneses hullám nyomásereje egységenként kölcsönöz az akadálynak. egy impulzus időzítése, amely a (15) képlet szerint egyenlő az elnyelt energiával osztva a fény sebességével. Ez pedig azt jelenti, hogy az elnyelt elektromágneses hullámnak volt egy impulzusa, ami egyenlő az energiával osztva a fénysebességgel.

Az elektromágneses hullámok nyomását először P. N. Lebegyev fedezte fel kísérletileg 1900-ban rendkívül finom kísérletekkel.

Miben különböznek a kvázi-stacionárius elektromágneses rezgések zárt rezgőkörben a nagyfrekvenciás rezgésektől egy nyitott vibrátorban? Mondj egy mechanikai hasonlatot.

Magyarázza meg, miért nem sugároznak ki elektromágneses hullámok zárt körben elektromágneses kvázi-stacionárius rezgések során! Miért történik sugárzás, amikor elektromágneses rezgések nyitott vibrátorban?

Ismertesse és magyarázza el Hertz elektromágneses hullámok gerjesztésével és detektálásával kapcsolatos kísérleteit! Milyen szerepet játszik a szikraköz az adó és vevő vibrátorokban?

Magyarázza el, hogy az elektromos töltés felgyorsult mozgásával egy hosszirányú elektrosztatikus tér hogyan alakul át az általa kibocsátott elektromágneses hullám keresztirányú elektromos mezőjévé!

Energetikai megfontolások alapján mutassuk meg, hogy a vibrátor által kibocsátott gömbhullám elektromos térereje 1 1r-rel csökken (ellentétben az elektrosztatikus térrel).

Mi az a monokromatikus elektromágneses hullám? Mi a hullámhossz? Hogyan kapcsolódik a frekvenciához? Mi az elektromágneses hullámok keresztirányú tulajdonsága?

Mi az elektromágneses hullám polarizációja? Milyen típusú polarizációt ismer?

Milyen érveket tud felhozni annak igazolására, hogy az elektromágneses hullámnak van lendülete?

Magyarázza meg a Lorentz-erő szerepét az elektromágneses hullámnyomási erő fellépésében az akadályon!

A technológiai fejlődésnek árnyoldala is van. A különféle elektromos meghajtású technológiák globális használata szennyezést okozott, ami az elektromágneses zaj nevet kapta. Ebben a cikkben megvizsgáljuk ennek a jelenségnek a természetét, az emberi testre gyakorolt ​​hatásának mértékét és a védelmi intézkedéseket.

Mi ez és a sugárzás forrásai

Az elektromágneses sugárzás olyan elektromágneses hullám, amely mágneses vagy elektromos mező megzavarásakor keletkezik. A modern fizika ezt a folyamatot a korpuszkuláris-hullám dualizmus elméletének keretein belül értelmezi. Vagyis az elektromágneses sugárzás minimális része kvantum, de ugyanakkor vannak olyan frekvencia-hullám tulajdonságai, amelyek meghatározzák fő jellemzőit.

Az elektromágneses térsugárzás frekvenciaspektruma lehetővé teszi az alábbi típusokba sorolását:

• rádiófrekvencia (ide tartoznak a rádióhullámok);
• termikus (infravörös);
• optikai (azaz szemmel látható);
• sugárzás az ultraibolya spektrumban és kemény (ionizált).

A spektrális tartomány (elektromágneses emissziós skála) részletes illusztrációja az alábbi ábrán látható.

A sugárforrások jellege

Az elektromágneses hullámok sugárzási forrásait eredettől függően a világgyakorlatban általában két típusba sorolják, nevezetesen:

• az elektromágneses tér mesterséges eredetű zavarai;
• természetes forrásokból származó sugárzás.

A Föld körüli mágneses térből származó sugárzások, a bolygónk légkörében zajló elektromos folyamatok, a Nap mélyén zajló magfúzió – mindezek természetes eredetűek.

Ami a mesterséges forrásokat illeti, ezek a különféle elektromos mechanizmusok és eszközök működése által okozott mellékhatások.

A belőlük kiáramló sugárzás lehet alacsony és magas szintű. Az elektromágneses térsugárzás intenzitásának mértéke teljes mértékben függ a források teljesítményszintjétől.

Példák a magas EMP forrásokra:

• Az elektromos vezetékek általában nagyfeszültségűek;
• az elektromos közlekedés minden fajtája, valamint az azt kísérő infrastruktúra;
• televízió- és rádiótornyok, valamint mobil- és mobilkommunikációs állomások;
• az elektromos hálózat feszültségének átalakítására szolgáló berendezések (különösen a transzformátorból vagy elosztó alállomásból származó hullámok);
• felvonók és egyéb emelőberendezések, ahol elektromechanikus erőművet használnak.

Az alacsony szintű sugárzást kibocsátó tipikus források a következő elektromos berendezések:

• szinte minden CRT-kijelzővel rendelkező eszköz (például: fizetési terminál vagy számítógép);
• különböző típusok Háztartási gépek, a vasalóktól a klímarendszerekig;
• mérnöki rendszerek, amelyek különféle objektumok áramellátását biztosítják (ez nem csak egy tápkábelt jelent, hanem a kapcsolódó berendezéseket is, pl. konnektorok, árammérők).

Külön érdemes kiemelni az orvostudományban használt speciális, kemény sugárzást kibocsátó berendezéseket (röntgen, MRI stb.).

Hatás egy személyre

Számos tanulmány során a sugárbiológusok kiábrándító következtetésre jutottak - az elektromágneses hullámok hosszan tartó sugárzása betegségek "robbanását" okozhatja, vagyis az emberi szervezetben a kóros folyamatok gyors fejlődését idézi elő. Sőt, sokan közülük genetikai szintű jogsértéseket vezetnek be.

Videó: Hogyan hat az elektromágneses sugárzás az emberekre.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q

Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az elektromágneses mező magas szint biológiai aktivitás, amely negatívan hat az élő szervezetekre. A befolyásoló tényező a következő összetevőktől függ:

• a kibocsátott sugárzás jellege;
• meddig és milyen intenzitással folytatódik.

Az elektromágneses természetű sugárzás emberi egészségre gyakorolt ​​hatása közvetlenül a lokalizációtól függ. Lehet helyi és általános is. Ez utóbbi esetben nagy léptékű besugárzás történik, például a villamos vezetékek által keltett sugárzás.

Ennek megfelelően a helyi besugárzás a test bizonyos részeit érő hatást jelenti. Az elektronikus karórákból vagy mobiltelefonokból származó elektromágneses hullámok a helyi hatás ékes példái.

Külön meg kell jegyezni a nagyfrekvenciás elektromágneses sugárzás élőanyagra gyakorolt ​​hőhatását. A mező energiája átalakul hőenergia(a molekulák rezgése miatt) ez a hatás a fűtésre használt ipari mikrohullámú sugárzók munkáján alapul. különféle anyagok. Az ipari folyamatok előnyeitől eltérően az emberi szervezetre gyakorolt ​​hőhatások károsak lehetnek. Sugárbiológiai szempontból nem ajánlott "meleg" elektromos berendezések közelében tartózkodni.

Figyelembe kell venni, hogy a mindennapi életben rendszeresen ki vagyunk téve sugárzásnak, és ez nem csak a munkahelyen, hanem otthon vagy a városban való mozgás során is előfordul. Idővel a biológiai hatás felhalmozódik és erősödik. Az elektromágneses zaj növekedésével az agy jellegzetes betegségeinek száma ill idegrendszer. Megjegyzendő, hogy a sugárbiológia meglehetősen fiatal tudomány, ezért az elektromágneses sugárzás élő szervezetekre gyakorolt ​​káros hatásait nem vizsgálták alaposan.

Az ábra a hagyományos háztartási készülékek által keltett elektromágneses hullámok szintjét mutatja.

Vegye figyelembe, hogy a térerősség szintje jelentősen csökken a távolsággal. Vagyis a hatásának csökkentéséhez elegendő egy bizonyos távolságra eltávolodni a forrástól.

Az elektromágneses térsugárzás normájának (arányosításának) kiszámításának képlete a vonatkozó GOST-okban és SanPiN-ekben van feltüntetve.

Sugárvédelem

A gyártás során az elnyelő (védő) képernyőket aktívan használják a sugárzás elleni védelem eszközeként. Sajnos ilyen berendezéssel otthon nem lehet megvédeni magát az elektromágneses térsugárzástól, mivel nem erre tervezték.

• az elektromágneses térsugárzás hatásának majdnem nullára csökkentése érdekében legalább 25 méter távolságra távolodjon el a villamos vezetékektől, rádió- és televíziótornyoktól (figyelembe kell vennie a forrás teljesítményét);
• CRT-monitor és TV esetében ez a távolság sokkal kisebb - körülbelül 30 cm;
• az elektronikus órát ne helyezze a párna közelébe, optimális távolság számukra több mint 5 cm;
• ami a rádiókat és a mobiltelefonokat illeti, nem ajánlott 2,5 centiméternél közelebb vinni őket.

Vegye figyelembe, hogy sokan tudják, milyen veszélyes magasfeszültségű vezetékek közelében állni, ugyanakkor a legtöbben nem tulajdonítanak jelentőséget a hagyományos háztartási elektromos készülékeknek. Bár elég a rendszeregységet a padlóra tenni vagy elmozdítani, és megvédi magát és szeretteit. Javasoljuk, hogy ezt tegye meg, majd mérje meg a hátteret a számítógépről egy elektromágneses térsugárzás érzékelővel, hogy vizuálisan ellenőrizze annak csökkenését.

Ez a tanács a hűtőszekrény elhelyezésére is vonatkozik, sokan a konyhaasztal közelébe teszik, praktikus, de nem biztonságos.

Egyetlen táblázat sem tudja megadni az adott elektromos berendezéstől való pontos biztonságos távolságot, mivel a kibocsátások az eszköz típusától és a gyártó országtól függően változhatnak. Jelenleg nincs egységes nemzetközi szabvány, ezért az egyes országokban a normák jelentős eltéréseket mutathatnak.

A sugárzás intenzitását egy speciális eszközzel - fluxusmérővel - pontosan meghatározhatja. Az Oroszországban elfogadott szabványok szerint a megengedett maximális dózis nem haladhatja meg a 0,2 μT-t. A lakásban történő mérést a fent említett elektromágneses térsugárzás mértékének mérésére szolgáló készülékkel javasoljuk.

Fluxusmérő - az elektromágneses mező sugárzási fokának mérésére szolgáló eszköz

Próbálja csökkenteni azt az időt, amikor sugárzásnak van kitéve, azaz ne tartózkodjon sokáig működő elektromos készülékek közelében. Például egyáltalán nem szükséges állandóan az elektromos tűzhely vagy mikrohullámú sütő mellett állni főzés közben. Ami az elektromos berendezéseket illeti, láthatja, hogy a meleg nem mindig jelent biztonságot.

Mindig kapcsolja ki az elektromos készülékeket, ha nem használja. Az emberek gyakran bekapcsolva hagyják különféle eszközök, figyelmen kívül hagyva, hogy jelenleg elektromágneses sugárzást bocsát ki az elektrotechnika. Kapcsolja ki a laptopot, nyomtatót vagy egyéb berendezést, nem szükséges még egyszer sugárzásnak kitenni, ne feledje a biztonságát.

ez az elektromágneses kölcsönhatás terjedésének folyamata a térben.
Az elektromágneses hullámokat általánosságban írják le elektromágneses jelenségek Maxwell egyenletek. A Maxwell-egyenleteknek még akkor is vannak nem nulla megoldásai, ha nincs elektromos töltés és áram a térben. Ezek a megoldások elektromágneses hullámokat írnak le.
Töltések és áramok hiányában a Maxwell-egyenletek a következő alakot öltik:

,

A rot műveletet az első két egyenletre alkalmazva külön egyenleteket kaphatunk az elektromos és a mágneses tér erősségének meghatározására.

Ezek az egyenletek tipikus forma hullámegyenletek. Ezek szétválasztása a következő típusú kifejezések szuperpozíciója

Hol - Egy bizonyos vektor, amelyet hullámvektornak nevezünk? - ciklikus frekvenciának nevezett szám, ? - fázis. A mennyiségek az elektromágneses hullám elektromos és mágneses összetevőinek amplitúdói. Ezek egymásra merőlegesek és abszolút értékűek. Az alábbiakban az egyes bevezetett mennyiségek fizikai értelmezését adjuk meg.
Vákuumban egy elektromágneses hullám olyan sebességgel halad, amelyet fénysebességnek nevezünk. A fénysebesség alapvető fizikai állandó, amelyet jelölünk latin betű c. A relativitáselmélet alapposztulátuma szerint a fénysebesség az információátvitel vagy a testmozgás lehetséges legnagyobb sebessége. Ez a sebesség 299 792 458 m/s.
Az elektromágneses hullámot frekvencia jellemzi. Megkülönböztetni a vonal frekvenciáját? és a ciklikus frekvencia? = 2??. A frekvenciától függően az elektromágneses hullámok valamelyik spektrális tartományba tartoznak.
Az elektromágneses hullám másik jellemzője a hullámvektor. A hullámvektor határozza meg az elektromágneses hullám terjedésének irányát és hosszát. A szélvektor abszolút értékét hullámszámnak nevezzük.
Az elektromágneses hullám hossza? = 2? / k, ahol k a hullámszám.
Az elektromágneses hullám hossza a diszperziós törvényen keresztül összefügg a frekvenciával. Az ürességben ez a kapcsolat egyszerű:

?? = c.

Ezt az arányt gyakran így írják

? = c k.

Az azonos frekvenciájú és hullámvektorú elektromágneses hullámok fázisban különbözhetnek.
Vákuumban az elektromágneses hullám elektromos és mágneses terének erősségvektorai szükségszerűen merőlegesek a hullámterjedés irányára. Az ilyen hullámokat keresztirányú hullámoknak nevezzük. Matematikailag ezt a és egyenletek írják le. Ezenkívül az elektromos és a mágneses tér erőssége merőleges egymásra, és abszolút értékben mindig egyenlő a tér bármely pontjában: E = H. Ha a koordináta-rendszert úgy választja meg, hogy a z tengely egybeessen a terjedési iránnyal Az elektromágneses hullám irányú elektromos térerősségvektorainak két különböző lehetősége van. Ha az eklektikus mező az x tengely mentén irányul, akkor a mágneses mező az y tengely mentén irányul, és fordítva. Ez a két különböző lehetőség nem zárja ki egymást, és két különböző polarizációnak felel meg. Ezt a kérdést részletesebben a Hullámok polarizációja című cikk tárgyalja.
Spektrális tartományok kiválasztott látható fénnyel A frekvenciától vagy hullámhossztól függően (ezek a mennyiségek összefüggenek) az elektromágneses hullámokat különböző tartományokba sorolják. A különböző tartományokban lévő hullámok különböző módon lépnek kölcsönhatásba a fizikai testekkel.
A legalacsonyabb frekvenciájú (vagy leghosszabb hullámhosszú) elektromágneses hullámokat ún rádió hatótávolsága. A rádiósáv a jelek távoli továbbítására szolgál rádión, televízión, mobiltelefonok. A radar a rádió tartományában működik. A rádió hatótávolsága az elektromágneses hullám hosszától függően méterre, ditseméterre, centiméterre, milliméterre van felosztva.
Az elektromágneses hullámok valószínűleg az infravörös tartományba tartoznak. Az infravörös tartományban található a test hősugárzása. Ennek a rezgésnek a regisztrálása az éjjellátó készülékek működésének alapja. Az infravörös hullámokat a testek hőrezgésének tanulmányozására és az atomszerkezet meghatározására használják. szilárd anyagok, gázok és folyadékok.
A 400-800 nm hullámhosszú elektromágneses sugárzás a látható fény tartományába tartozik. A látható fény a frekvenciától és a hullámhossztól függően különböző színű.
A 400 nm-nél kisebb hullámhosszakat nevezzük ultraibolya. Az emberi szem nem különbözteti meg őket, bár tulajdonságaik nem különböznek a látható tartományban lévő hullámok tulajdonságaitól. Az ilyen fény nagy frekvenciája, és ennek következtében a kvantum energiája az ultraibolya hullámok pusztítóbb hatásához vezet a biológiai objektumokra. A földfelszín védve van a káros hatások ultraibolya hullámok az ózonréteg által. A további védelem érdekében a természet sötét bőrrel ruházta fel az embereket. azonban ultraibolya sugarak szüksége van egy személynek a D-vitamin termeléséhez. Ezért az emberek a északi szélességi körök, ahol az ultraibolya hullámok intenzitása kisebb, elvesztette a bőr sötét színét.
A magasabb frekvenciájú elektromágneses hullámok röntgen hatótávolság. Azért nevezik őket így, mert Roentgen fedezte fel őket, az elektronok lassulása során keletkező sugárzást tanulmányozva. A külföldi irodalomban az ilyen hullámokat ún röntgensugarak tiszteletben tartva Röntgen kívánságát, hogy a sugarak ne szólítsák a nevén. A röntgenhullámok gyengén kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, és erősebben nyelődnek el ott, ahol nagyobb a sűrűség. Ezt a tényt a gyógyászatban röntgen-fluorográfiára használják. A röntgenhullámokat elemanalízisre és a kristálytestek szerkezetének vizsgálatára is használják.
a legmagasabb frekvenciájú és a legrövidebb hosszúságú ?-sugarak. Ezek a sugarak ennek eredményeként keletkeznek nukleáris reakciókés az elemi részecskék közötti reakciók. A ?-sugarak nagy romboló hatással vannak a biológiai objektumokra. A fizikában azonban tanulmányozásra használják őket különféle jellemzők atommag.
Az elektromágneses hullám energiáját az elektromos és a mágneses mező energiáinak összege határozza meg. Az energiasűrűséget a tér egy bizonyos pontjában a következő képlet adja meg:

.

Az időátlagos energiasűrűség egyenlő.

,

Ahol E 0 = H 0 a hullám amplitúdója.
Az elektromágneses hullám energiaáram-sűrűsége nagy jelentőséggel bír. Különösen az optikában a fényáramot határozza meg. Az elektromágneses hullám energiaáram-sűrűségét az Umov-Poynting vektor adja meg.

Az elektromágneses hullámok közegben való terjedésének számos jellemzője van a vákuumban történő terjedéshez képest. Ezek a jellemzők a közeg tulajdonságaihoz kapcsolódnak, és általában az elektromágneses hullám frekvenciájától függenek. A hullám elektromos és mágneses komponensei a közeg polarizációját és mágnesezettségét okozzák. A közegnek ez a reakciója nem azonos alacsony és magas frekvenciák esetén. Az elektromágneses hullám alacsony frekvenciájánál az anyag elektronjainak és ionjainak van idejük reagálni az elektromos és mágneses mezők intenzitásának változásaira. A közeg válasza az időbeli ingadozásokat hullámokká követi. Nagy frekvencián az anyag elektronjainak és ionjainak nincs idejük elmozdulni a hullámterek rezgésének időszakában, ezért a közeg polarizációja és mágnesezettsége sokkal kisebb.
Az alacsony frekvenciájú elektromágneses tér nem hatol be a fémekbe, ahol sok szabad elektron van, amelyek így elmozdulnak, és teljesen kioltják az elektromágneses hullámot. Az elektromágneses hullám egy bizonyos frekvenciát meghaladó frekvenciával kezd behatolni a fémbe, amelyet plazmafrekvenciának neveznek. A plazmafrekvenciánál alacsonyabb frekvenciákon az elektromágneses hullám behatolhat a fém felületi rétegébe. Ezt a jelenséget bőrhatásnak nevezik.
A dielektrikumban az elektromágneses hullám diszperziós törvénye megváltozik. Ha az elektromágneses hullámok vákuumban állandó amplitúdóval terjednek, akkor közegben az abszorpció következtében lecsengenek. Ebben az esetben a hullám energiája a közeg elektronjaihoz vagy ionjaihoz kerül. Összességében a diszperziós törvény mágneses hatások hiányában a formát ölti

Ahol a k hullámszám egy teljes komplex mennyiség, amelynek képzeletbeli része az elektromágneses hullám amplitúdójának csökkenését írja le, ott a közeg frekvenciafüggő komplex permittivitása.
Anizotróp közegben az elektromos és mágneses mezők vektorainak iránya nem feltétlenül merőleges a hullámterjedés irányára. Az elektromos és mágneses indukció vektorainak iránya azonban megőrzi ezt a tulajdonságát.
Egy közegben bizonyos körülmények között egy másik típusú elektromágneses hullám terjedhet - hosszanti elektromágneses hullám, amelynél az elektromos térerősség vektorának iránya egybeesik a hullámterjedés irányával.
A huszadik század elején a fekete test sugárzási spektrumának magyarázata érdekében Max Planck azt javasolta, hogy az elektromágneses hullámokat a frekvenciával arányos energiájú kvantumok bocsátják ki. Néhány évvel később Albert Einstein a fotoelektromos hatás jelenségét magyarázva kibővítette ezt az elképzelést azzal a feltételezéssel, hogy az elektromágneses hullámokat ugyanazok a kvantumok nyelték el. Így világossá vált, hogy az elektromágneses hullámokat néhány olyan tulajdonság jellemzi, amelyeket korábban az anyagi részecskéknek, testtesteknek tulajdonítottak.
Ezt az elképzelést korpuszkuláris-hullám dualizmusnak nevezik.

J. Maxwell 1864-ben megalkotta az elektromágneses tér elméletét, amely szerint az elektromos és a mágneses mezők egyetlen egész - az elektromágneses mező - egymással összefüggő összetevőiként léteznek. Egy olyan térben, ahol váltakozó mágneses tér van, váltakozó elektromos mezőt gerjesztenek, és fordítva.

Elektromágneses mező- az egyik anyagtípus, amelyet folyamatos kölcsönös átalakulással összekapcsolt elektromos és mágneses mezők jelenléte jellemez.

Az elektromágneses tér elektromágneses hullámok formájában terjed a térben. Feszültségvektor-ingadozások Eés mágneses indukciós vektor B egymásra merőleges síkban és a hullámterjedés irányára merőlegesen fordulnak elő (sebességvektor).

Ezeket a hullámokat oszcilláló töltött részecskék bocsátják ki, amelyek ugyanakkor gyorsulva mozognak a vezetőben. Amikor egy töltés elmozdul a vezetőben, váltakozó elektromos tér jön létre, amely váltakozó mágneses teret hoz létre, ez pedig már a töltéstől nagyobb távolságban váltakozó elektromos tér megjelenését idézi elő, és így tovább.

A térben időben terjedő elektromágneses teret ún elektromágneses hullám.

Az elektromágneses hullámok terjedhetnek vákuumban vagy bármilyen más anyagban. Az elektromágneses hullámok fénysebességgel terjednek vákuumban c=3 108 m/s. Anyagban az elektromágneses hullám sebessége kisebb, mint a vákuumban. Az elektromágneses hullám energiát hordoz.

Az elektromágneses hullám a következő alapvető tulajdonságokkal rendelkezik: egyenes vonalban terjed, törésre, visszaverődésre képes, diffrakciós, interferencia-, polarizációs jelenségekkel rendelkezik. Mindezek a tulajdonságok fényhullámok az elektromágneses sugárzás skálájában a megfelelő hullámhossz-tartományt elfoglalva.

Tudjuk, hogy az elektromágneses hullámok hossza nagyon eltérő. A különböző sugárzások hullámhosszát és frekvenciáját jelző elektromágneses hullámok skáláját tekintve 7 tartományt különböztetünk meg: alacsony frekvenciájú sugárzás, rádiósugárzás, infravörös sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgensugarakés gamma-sugárzás.

• alacsony frekvenciájú hullámok . Sugárforrások: nagyfrekvenciás áramok, generátor váltakozó áram, elektromos autók. Fémek olvasztására és keményítésére, állandó mágnesek gyártására, az elektromos iparban használják.
• rádióhullámok rádió- és televízióállomások, mobiltelefonok, radarok stb. antennáiban fordulnak elő. Rádiókommunikációban, televízióban és radarban használják.
• infravörös hullámok minden felhevült test sugárzik. Felhasználás: tűzálló fémek olvasztása, vágása, lézerhegesztése, fényképezés ködben és sötétben, fa, gyümölcsök és bogyók szárítása, éjjellátó készülékek.
• látható sugárzás. Források - Nap, elektromos és fénycső, elektromos ív, lézer. Alkalmazások: világítás, fotoelektromos effektus, holográfia.
• ultraibolya sugárzás . Források: Nap, űr, gázkisüléses (kvarc) lámpa, lézer. Elpusztíthatja a patogén baktériumokat. Élő szervezetek keményítésére használják.
• röntgensugárzás .

Az elektromágneses hullámok (melyek táblázatát az alábbiakban mutatjuk be) a térben eloszló mágneses és elektromos mezők perturbációi. Többféle is létezik belőlük. A fizika ezeknek a zavaroknak a tanulmányozása. Az elektromágneses hullámok annak a ténynek köszönhetőek, hogy az elektromos váltakozó mező mágneses mezőt generál, ez pedig elektromosat.

Kutatástörténet

Az első elméletek, amelyek az elektromágneses hullámokkal kapcsolatos hipotézisek legrégebbi változatának tekinthetők, legalábbis Huygens idejére nyúlnak vissza. Ebben az időszakban a feltételezések kifejezett mennyiségi fejlődést értek el. Huygens 1678-ban közzétette az elmélet egyfajta "vázlatát" - "Treatise on Light". 1690-ben egy másik figyelemre méltó műve is megjelent. Felvázolta a reflexió, fénytörés kvalitatív elméletét abban a formában, ahogy az iskolai tankönyvekben ma is szerepel ("Elektromágneses hullámok", 9. osztály).

Ugyanakkor megfogalmazódott a Huygens-elv is. Segítségével lehetővé vált a hullámfront mozgásának tanulmányozása. Ezt az elvet később Fresnel munkáiban fejlesztették ki. A Huygens-Fresnel-elv különösen fontos volt a diffrakcióelméletben és a fény hullámelméletében.

Az 1660-1670-es években Hooke és Newton nagy kísérleti és elméleti hozzájárulást nyújtott a kutatáshoz. Ki fedezte fel az elektromágneses hullámokat? Ki végezte a létezésüket bizonyító kísérleteket? Milyen típusúak az elektromágneses hullámok? Erről később.

Maxwell indoklása

Mielőtt arról beszélnénk, hogy ki fedezte fel az elektromágneses hullámokat, el kell mondani, hogy az első tudós, aki egyáltalán megjósolta a létezésüket, Faraday volt. Hipotézisét 1832-ben terjesztette elő. Az elméletet később Maxwell dolgozta ki. 1865-re befejezte ezt a munkát. Ennek eredményeként Maxwell szigorúan matematikailag formalizálta az elméletet, alátámasztva a vizsgált jelenségek létezését. Meghatározta az elektromágneses hullámok terjedési sebességét is, amely egybeesett a fénysebesség akkori értékével. Ez pedig lehetővé tette számára, hogy igazolja azt a hipotézist, hogy a fény a vizsgált sugárzás egyik fajtája.

Kísérleti felfedezés

Maxwell elmélete megerősítést nyert Hertz 1888-as kísérleteiben. Itt kell elmondani, hogy a német fizikus azért végezte kísérleteit, hogy megcáfolja az elméletet, annak matematikai igazolása ellenére. Kísérleteinek köszönhetően azonban Hertz volt az első, aki a gyakorlatban felfedezte az elektromágneses hullámokat. Ezenkívül a tudós kísérletei során feltárta a sugárzás tulajdonságait és jellemzőit.

A Hertz elektromágneses oszcillációkat és hullámokat kapott egy vibrátorban gyorsan változó áramlású impulzusok sorozatának gerjesztésével, megnövelt feszültségforrással. A nagyfrekvenciás adatfolyamok hurok segítségével érzékelhetők. Ebben az esetben az oszcillációs frekvencia minél nagyobb, annál nagyobb a kapacitása és az induktivitása. Ugyanakkor a magas frekvencia nem garancia az intenzív áramlásra. Kísérleteinek elvégzéséhez Hertz egy meglehetősen egyszerű eszközt használt, amelyet ma „Hertz vibrátornak” hívnak. A készülék nyitott típusú oszcillációs áramkör.

Hertz tapasztalatainak diagramja

A sugárzás regisztrálása vevővibrátor segítségével történt. Ez az eszköz ugyanolyan kialakítású volt, mint a sugárzó készülék. Az elektromos elektromágneses hullám hatása alatt változó mezőáramingadozást gerjesztettek a vevőkészülékben. Ha ebben az eszközben a természetes frekvencia és az áramlás frekvenciája egybeesett, akkor rezonancia jelent meg. Ennek eredményeként a vevőkészülékben nagyobb amplitúdójú zavarok léptek fel. A kutató úgy fedezte fel őket, hogy egy kis résben megfigyelte a szikrákat a vezetők között.

Így Hertz lett az első, aki felfedezte az elektromágneses hullámokat, és bebizonyította, hogy képesek jól visszaverődni a vezetőkről. Gyakorlatilag igazolta az állósugárzás kialakulását. Ezenkívül Hertz meghatározta az elektromágneses hullámok terjedési sebességét a levegőben.

Jellemzők vizsgálata

Az elektromágneses hullámok szinte minden közegben terjednek. Egy anyaggal teli térben a sugárzás bizonyos esetekben meglehetősen jól eloszlik. De ugyanakkor némileg megváltoztatják a viselkedésüket.

A vákuumban lévő elektromágneses hullámok meghatározása csillapítás nélkül történik. Bármilyen, tetszőlegesen nagy távolságra vannak elosztva. A hullámok fő jellemzői a polarizáció, a frekvencia és a hossz. A tulajdonságok leírása az elektrodinamika keretein belül történik. A fizika specifikusabb ágai azonban a spektrum egyes tartományaiban a sugárzás jellemzőivel foglalkoznak. Ide tartozik például az optika.

A nagyenergiájú rész a rövid hullámhosszú spektrumvég kemény elektromágneses sugárzásának vizsgálatával foglalkozik. Figyelembe véve a modern elképzeléseket, a dinamika megszűnik önálló tudományág lenni, és egy elméletben egyesül.

A tulajdonságok vizsgálatában alkalmazott elméletek

Ma már vannak különféle módszerek, hozzájárulva a rezgések megjelenési formáinak és tulajdonságainak modellezéséhez és tanulmányozásához. A bizonyított és befejezett elméletek közül a legalapvetőbb a kvantumelektrodinamika. Ebből bizonyos egyszerűsítések révén lehetővé válik a következő, különböző területeken széles körben alkalmazott módszerek elérése.

A viszonylag alacsony frekvenciájú sugárzás leírása makroszkopikus közegben a klasszikus elektrodinamikával történik. Maxwell-egyenleten alapul. Ugyanakkor az alkalmazott alkalmazásokban egyszerűsítések vannak. Az optikai tanulmány optikát használ. A hullámelméletet olyan esetekben alkalmazzák, amikor az optikai rendszer egyes részei mérete közel vannak a hullámhosszokhoz. A kvantumoptikát akkor használják, ha a fotonok szórási és abszorpciós folyamatai elengedhetetlenek.

Geometriai optikai elmélet- az a határeset, amelyben a hullámhossz figyelmen kívül hagyása megengedett. Számos alkalmazott és alapvető rész is létezik. Ide tartozik például az asztrofizika, a vizuális észlelés és a fotoszintézis biológiája, valamint a fotokémia. Hogyan osztályozzák az elektromágneses hullámokat? Az alábbiakban egy táblázatot mutatunk be, amely szemlélteti a csoportok szerinti megoszlást.

Osztályozás

Az elektromágneses hullámoknak vannak frekvenciatartományai. Nincsenek éles átmenetek közöttük, néha átfedik egymást. A köztük lévő határok meglehetősen önkényesek. Tekintettel arra, hogy az áramlás folyamatosan eloszlik, a frekvencia mereven kapcsolódik a hosszhoz. Az alábbiakban bemutatjuk az elektromágneses hullámok tartományait.

Az ultrarövid sugárzást általában mikrométerre (szubmilliméterre), milliméterre, centiméterre, deciméterre, méterre osztják. Ha elektromágneses sugárzás kevesebb mint egy méter, akkor általában ultramagas frekvenciájú (SHF) oszcillációnak nevezik.

Az elektromágneses hullámok típusai

A fentiekben az elektromágneses hullámok tartományai láthatók. Milyen típusú streamek vannak? A csoportba tartoznak a gamma- és röntgensugarak. Ugyanakkor el kell mondani, hogy az ultraibolya és még a látható fény is képes ionizálni az atomokat. A határok, amelyeken belül a gamma- és a röntgen-fluxusok találhatók, meglehetősen feltételesen vannak meghatározva. A 20 eV - 0,1 MeV határértékek elfogadottak általános irányvonalként. A szűk értelemben vett gamma fluxusokat az atommag, a röntgensugárzást az elektronok bocsátják ki atomhéj az elektronok kiütése során az alacsonyan fekvő pályákról. Ez a besorolás azonban nem alkalmazható az atommagok és atomok részvétele nélkül keletkező kemény sugárzásra.

Röntgenáramok keletkeznek, amikor a feltöltött gyors részecskék (protonok, elektronok stb.) lelassulnak, illetve az atom elektronhéjain belül lezajló folyamatok eredményeként. A gamma rezgések az atommagok belsejében zajló folyamatok eredményeként és az elemi részecskék átalakulása során keletkeznek.

rádiófolyamok

Esedékes nagy jelentőségű Ezeknek a hullámoknak a hossza figyelembe vétele elvégezhető a közeg atomisztikus szerkezetének figyelembevétele nélkül. Az egyetlen kivétel a legrövidebb folyamok, amelyek a spektrum infravörös tartományával szomszédosak. A rádiótartományban az oszcillációk kvantumtulajdonságai meglehetősen gyengén mutatkoznak meg. Ennek ellenére ezeket figyelembe kell venni például a molekuláris idő- és frekvenciastandardok elemzésekor, amikor a berendezés több kelvines hőmérsékletre hűt.

A kvantumtulajdonságokat is figyelembe veszik az oszcillátorok és erősítők leírásakor a milliméter és centiméter tartományban. A rádióáram a váltakozó áram mozgása során jön létre a megfelelő frekvenciájú vezetőkön keresztül. A térben áthaladó elektromágneses hullám gerjeszti a megfelelő hullámot. Ezt a tulajdonságot az antennák tervezésénél használják a rádiótechnikában.

Látható patakok

Ultraibolya és infravörös látható sugárzás a szó tágabb értelmében a spektrum úgynevezett optikai tartományát alkotja. Ennek a régiónak a kiválasztását nemcsak a megfelelő zónák közelsége határozza meg, hanem a vizsgálat során használt és főként a látható fény vizsgálata során kifejlesztett műszerek hasonlósága is. Ide tartoznak különösen a sugárzás fókuszálására szolgáló tükrök és lencsék, diffrakciós rácsok, prizmák és mások.

Az optikai hullámok frekvenciája összehasonlítható a molekulákéval és az atomokéval, hosszuk pedig a molekulák közötti távolságokkal és molekulaméretekkel. Ezért olyan jelenségek válnak jelentőssé ezen a területen, amelyek az anyag atomisztikus szerkezetéből adódnak. Ugyanezen okból a fénynek a hullámtulajdonságokkal együtt kvantumtulajdonságai is vannak.

Az optikai áramlások megjelenése

A leghíresebb forrás a Nap. A csillag felszíne (fotoszféra) 6000 Kelvin hőmérsékletű, és fényes fehér fényt bocsát ki. A folytonos spektrum legmagasabb értéke a "zöld" zónában található - 550 nm. A vizuális érzékenység is maximális. Az optikai tartományban rezgések lépnek fel, amikor a testeket melegítik. Az infravörös áramlásokat ezért termikusnak is nevezik.

Minél erősebb a test melegítése, annál nagyobb a frekvencia, ahol a spektrum maximuma található. A hőmérséklet bizonyos növekedésével hő figyelhető meg (világít a látható tartományban). Ebben az esetben először a piros szín jelenik meg, majd a sárga és így tovább. Az optikai áramlások létrehozása és regisztrálása előfordulhat a biológiai ill kémiai reakciók, amelyek közül az egyiket a fotózásban használják. A legtöbb Földön élő lény számára a fotoszintézis energiaforrásként működik. Ez a biológiai reakció a növényekben, optikai napsugárzás hatására megy végbe.

Az elektromágneses hullámok jellemzői

A közeg és a forrás tulajdonságai befolyásolják az áramlások jellemzőit. Ez meghatározza különösen a mezők időfüggését, amely meghatározza az áramlás típusát. Például, ha a vibrátortól való távolság változik (ahogy nő), a görbületi sugár nagyobb lesz. Ennek eredményeként sík elektromágneses hullám képződik. Az anyaggal való kölcsönhatás is különböző módokon megy végbe.

Az áramlások abszorpciós és emissziós folyamatai általában klasszikus elektrodinamikai összefüggésekkel írhatók le. Az optikai tartományban lévő hullámok és a kemény sugarak esetében még inkább figyelembe kell venni azok kvantumtermészetét.

Streamforrások

A fizikai különbség ellenére mindenhol - radioaktív anyagban, televíziós adóban, izzólámpában - elektromágneses hullámok gerjesztődnek. elektromos töltések amelyek gyorsulással mozognak. A forrásoknak két fő típusa van: mikroszkopikus és makroszkopikus. Az elsőben a töltött részecskék hirtelen átmenete megy végbe egyik szintről a másikra a molekulákon vagy atomokon belül.

A mikroszkopikus források röntgen-, gamma-, ultraibolya, infravörös, látható és bizonyos esetekben hosszú hullámú sugárzást bocsátanak ki. Ez utóbbira példa a hidrogén spektrumának vonala, amely 21 cm-es hullámnak felel meg.Ez a jelenség különösen fontos a rádiócsillagászatban.

A makroszkopikus források olyan emitterek, amelyekben a vezetők szabad elektronjai periodikus szinkron rezgéseket hajtanak végre. Az ebbe a kategóriába tartozó rendszerekben az áramlások millimétertől a leghosszabbig (távvezetékekben) keletkeznek.

Az áramlások szerkezete és erőssége

A gyorsulással és az időszakosan változó áramok bizonyos erőkkel hatnak egymásra. Az irány és azok nagysága olyan tényezőktől függ, mint az áramok és töltések területének mérete és konfigurációja, relatív irányuk és nagyságuk. Az adott közeg elektromos jellemzői, valamint a töltések koncentrációjának és a forrásáramok eloszlásának változása szintén jelentős hatást gyakorol.

Kapcsolatban általános összetettsége problémafelvetés, lehetetlen az erők törvényét egyetlen képlet formájában ábrázolni. Az elektromágneses térnek nevezett szerkezetet, amelyet szükség esetén matematikai objektumnak tekintünk, a töltések és áramok eloszlása ​​határozza meg. Azt viszont egy adott forrás hozza létre, figyelembe véve a peremfeltételeket. A feltételeket a kölcsönhatási zóna alakja és az anyag jellemzői határozzák meg. Ha korlátlan helyről beszélünk, ezek a körülmények kiegészülnek. Különlegességként további feltétel ilyenkor megjelenik a sugárzási állapot. Ennek köszönhetően a mező "helyes" viselkedése a végtelenben garantált.

A tanulmányozás idővonala

Lomonoszov egyes rendelkezéseiben előrevetíti az elektromágneses tér elméletének bizonyos posztulátumait: a részecskék "forgó" (forgó) mozgását, a fény "fluktuáló" (hullám) elméletét, az elektromosság természetével való közösségét stb. Az infravörös sugárzások 1800-ban fedezte fel Herschel (angol tudósok), a következőben, 1801-ben pedig az ultraibolya sugárzást írta le Ritter. Az ultraibolya hatótávolságnál rövidebb sugárzást Roentgen fedezte fel 1895-ben, november 8-án. Ezt később röntgennek nevezték el.

Az elektromágneses hullámok hatását sok tudós tanulmányozta. Narkevich-Jodko (fehérorosz tudós) azonban elsőként tárta fel az áramlások lehetőségeit és terjedelmét. Tanulmányozta az áramlások tulajdonságait a gyakorlati orvoslás kapcsán. A gammasugárzást Paul Willard fedezte fel 1900-ban. Ugyanebben az időszakban Planck elméleti tanulmányokat végzett a fekete test tulajdonságairól. A tanulmányozás során felfedezte a folyamat kvantumjellegét. Munkája volt a fejlődés kezdete. Ezt követően Planck és Einstein több munkája is megjelent. Kutatásaik egy olyan fogalom kialakulásához vezettek, mint a foton. Ez pedig megalapozta a kvantumelmélet megalkotását. elektromágneses áramlások. Fejlődése a huszadik század vezető tudósainak munkáiban folytatódott.

Az elektromágneses sugárzás kvantumelméletével és anyaggal való kölcsönhatásával kapcsolatos további kutatások és munkák végül a kvantumelektrodinamika kialakulásához vezettek a mai formában. A kérdés tanulmányozásában részt vevő kiemelkedő tudósok közül Einstein és Planck mellett Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman említendő.

Következtetés

A fizika értéke modern világ elég nagy. Szinte minden, amit ma az emberi életben használnak, ennek köszönhetően jelent meg gyakorlati használat nagy tudósok kutatása. Különösen az elektromágneses hullámok felfedezése és tanulmányozása vezetett a hagyományos, majd később mobiltelefonok, rádióadók megalkotásához. Különleges jelentés gyakorlati használat ilyen elméleti ismeretekkel rendelkezik az orvostudomány, az ipar, a technológia területén.

Ez a széles körben elterjedt használat a tudomány kvantitatív természetének köszönhető. Összes fizikai kísérletek méréseken, a vizsgált jelenségek tulajdonságainak a rendelkezésre álló szabványokkal való összehasonlításán alapulnak. Ennek érdekében a tudományág keretein belül egy komplex mérőműszerekés egységek. Számos törvényszerűség közös minden létező anyagrendszerben. Például az energiamegmaradás törvényeit általános fizikai törvényeknek tekintjük.

A tudomány egészét sok esetben alapvetőnek nevezik. Ez elsősorban annak tudható be, hogy más tudományágak leírásokat adnak, amelyek viszont betartják a fizika törvényeit. Tehát a kémiában az atomokat, a belőlük képződött anyagokat és az átalakulásokat tanulmányozzák. De Kémiai tulajdonságok testeket határoznak meg fizikai jellemzők molekulák és atomok. Ezek a tulajdonságok a fizika olyan ágait írják le, mint az elektromágnesesség, a termodinamika és mások.