Kas ir elektromagnētiskais vilnis - zināšanu hipermārkets. Elektromagnētiskie viļņi - īpašības un raksturlielumi

Daudzi modeļi viļņu procesi tiem ir universāls raksturs un tie ir vienlīdz derīgi dažāda rakstura viļņiem: mehāniskie viļņi elastīgā vidē, viļņi uz ūdens virsmas, izstieptā virknē utt. Nav izņēmums un elektromagnētiskie viļņi, kas attēlo svārstību izplatīšanās procesu elektromagnētiskais lauks. Bet atšķirībā no citiem viļņu veidiem, kas izplatās kādā materiālā vidē, elektromagnētiskie viļņi var izplatīties vakuumā: elektrisko un magnētisko lauku izplatībai nav nepieciešama materiāla vide. Tomēr elektromagnētiskie viļņi var pastāvēt ne tikai vakuumā, bet arī matērijā.

Elektromagnētisko viļņu prognozēšana. Elektromagnētisko viļņu esamību teorētiski paredzēja Maksvels, analizējot viņa piedāvāto vienādojumu sistēmu, kas apraksta elektromagnētisko lauku. Maksvels parādīja, ka elektromagnētiskais lauks vakuumā var pastāvēt pat tad, ja nav avotu - lādiņu un strāvu. Laukam bez avotiem ir viļņu forma, kas izplatās ar ierobežotu ātrumu cm/s, kurā elektriskā un magnētiskā lauka vektori katrā laika momentā katrā telpas punktā ir perpendikulāri viens otram un perpendikulāri viļņa virzienam. pavairošana.

Eksperimentāli elektromagnētiskos viļņus atklāja un pētīja Hercs tikai 10 gadus pēc Maksvela nāves.

atvērts vibrators. Lai saprastu, kā eksperimentāli var iegūt elektromagnētiskos viļņus, apsveriet “atvērtu” svārstību ķēdi, kurā kondensatora plāksnes tiek pārvietotas viena no otras (176. att.) un tāpēc. elektriskais lauks aizņem lielu platību. Palielinoties attālumam starp plāksnēm, kondensatora kapacitāte C samazinās un saskaņā ar Tomsona formulu palielinās dabisko svārstību biežums. Ja mēs arī nomainīsim induktivitāti pret stieples gabalu, tad induktivitāte samazināsies un dabiskā frekvence palielināsies vēl vairāk. Šajā gadījumā ne tikai elektriskais, bet arī magnētiskais lauks, kas iepriekš bija slēgts spoles iekšpusē, tagad aizņems lielu telpas apgabalu, kas pārklāj šo vadu.

Svārstību biežuma palielināšanās ķēdē, kā arī tās palielināšanās lineārie izmēri, noved pie tā, ka periods pašu

svārstības kļūst salīdzināmas ar elektromagnētiskā lauka izplatīšanās laiku visā ķēdē. Tas nozīmē, ka dabisko elektromagnētisko svārstību procesus šādā atvērtā ķēdē vairs nevar uzskatīt par kvazistacionāriem.

Rīsi. 176. Pāreja no oscilējošas ķēdes uz atvērtu vibratoru

Strāvas stiprums dažādās vietās vienlaikus ir atšķirīgs: ķēdes galos tā vienmēr ir nulle, bet vidū (kur agrāk atradās spole) tā svārstās ar maksimālo amplitūdu.

Ierobežotajā gadījumā, kad svārstību ķēde ir vienkārši pārvērtusies taisnā stieples segmentā, strāvas sadalījums pa ķēdi noteiktā laika posmā ir parādīts attēlā. 177a. Brīdī, kad strāvas stiprums šādā vibratorā ir maksimālais, arī to pārklājošais magnētiskais lauks sasniedz maksimumu, un vibratora tuvumā nav elektriskā lauka. Pēc ceturtdaļas perioda strāvas stiprums izzūd un līdz ar to arī magnētiskais lauks vibratora tuvumā; elektriskie lādiņi ir koncentrēti netālu no vibratora galiem, un to sadalījumam ir tāda forma, kā parādīts attēlā. 1776. Elektriskais lauks pie vibratora šajā brīdī ir maksimāls.

Rīsi. 177. Strāvas stipruma sadalījums pa atvērtu vibratoru brīdī, kad tas ir maksimālais (a), un lādiņu sadalījums pēc perioda ceturtdaļas (b)

Šīs lādiņa un strāvas svārstības, t.i., elektromagnētiskās svārstības atvērtā vibratorā, ir diezgan līdzīgas mehāniskajām svārstībām, kas var rasties oscilatora atsperē, ja tiek noņemts tam piestiprinātais masīvais ķermenis. Šajā gadījumā ir jāņem vērā atsevišķu atsperes daļu masa un jāuzskata tā par sadalītu sistēmu, kurā katram elementam ir gan elastīgas, gan inertas īpašības. Atvērta elektromagnētiskā vibratora gadījumā arī katram tā elementam vienlaikus ir gan induktivitāte, gan kapacitāte.

Vibratora elektriskie un magnētiskie lauki. Svārstību nekvazistacionārais raksturs atvērtā vibratorā noved pie tā, ka lauki, ko rada tā atsevišķās sekcijās noteiktā attālumā no vibratora, vairs nekompensē viens otru, kā tas notiek “slēgtā” svārstību ķēdē ar vienkopus parametrus, kur svārstības ir kvazistacionāras, elektriskais lauks ir pilnībā koncentrēts kondensatora iekšpusē, bet magnētiskais - spoles iekšpusē. Sakarā ar šādu elektrisko un magnētisko lauku telpisko atdalīšanu tie nav tieši saistīti viens ar otru: to savstarpējā transformācija ir saistīta tikai ar strāvas - lādiņa pārnesi pa ķēdi.

Pie atvērta vibratora, kur elektriskais un magnētiskais lauks pārklājas telpā, notiek to savstarpējā ietekme: mainīgs magnētiskais lauks ģenerē virpuļelektrisko lauku, un mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku. Rezultātā ir iespējama šādu “pašpietiekamu” lauku esamība, kas izplatās brīvā telpā lielā attālumā no vibratora. Tie ir vibratora izstarotie elektromagnētiskie viļņi.

Herca eksperimenti. Vibrators, ar kura palīdzību G. Hercs 1888. gadā pirmais eksperimentāli ieguva elektromagnētiskos viļņus, bija taisns vadītājs ar nelielu gaisa spraugu vidū (178.a att.). Pateicoties šai spraugai, abām vibratora pusēm var tikt piešķirti ievērojami lādiņi. Kad potenciālu starpība sasniedza noteiktu robežvērtību, gaisa spraugā notika sabrukums (izlēca dzirkstele) un elektriskie lādiņi varēja plūst pa jonizēto gaisu no vienas vibratora puses uz otru. Atvērtā ķēdē radās elektromagnētiskās svārstības. Lai ātrās maiņstrāvas pastāvētu tikai vibratorā, nevis slēgtos caur barošanas avotu, starp vibratoru un avotu tika savienoti droseles (sk. 178.a att.).

Rīsi. 178. Hertz vibrators

Augstas frekvences vibrācijas vibratorā pastāv tik ilgi, kamēr dzirkstele aizver spraugu starp tā pusēm. Šādu vibratora svārstību slāpēšana galvenokārt notiek nevis džoula zudumu dēļ pretestībā (kā slēgtā svārstību ķēdē), bet gan elektromagnētisko viļņu starojuma dēļ.

Lai noteiktu elektromagnētiskos viļņus, Hertz izmantoja otru (uztverošo) vibratoru (1786. att.). No emitētāja nākoša viļņa mainīga elektriskā lauka iedarbībā uztverošā vibratora elektroni veic piespiedu svārstības, t.i., vibratorā tiek ierosināta strauji mainīga strāva. Ja uztverošā vibratora izmēri ir tādi paši kā izstarojošajam, tad dabisko elektromagnētisko svārstību frekvences tajos sakrīt un piespiedu svārstības uztverošajā vibratorā rezonanses ietekmē sasniedz manāmu vērtību. Šīs svārstības Hertz atklāja, izlaižot dzirksteli mikroskopiskā spraugā uztverošā vibratora vidū vai ar miniatūras gāzizlādes caurules G spīdumu, kas savienota starp vibratora pusēm.

Hercs ne tikai eksperimentāli pierādīja elektromagnētisko viļņu esamību, bet pirmo reizi sāka pētīt to īpašības – absorbciju un refrakciju dažādos medijos, atstarošanu no metāla virsmas utt.. Eksperimentāli bija iespējams arī izmērīt elektromagnētisko viļņu ātrumu, kas izrādījās vienāds ar gaismas ātrumu.

Elektromagnētisko viļņu ātruma sakritība ar gaismas ātrumu, kas izmērīts ilgi pirms to atklāšanas, kalpoja par sākumpunktu gaismas identificēšanai ar elektromagnētiskajiem viļņiem un gaismas elektromagnētiskās teorijas radīšanai.

Elektromagnētiskais vilnis pastāv bez lauka avotiem tādā nozīmē, ka pēc tā emisijas viļņa elektromagnētiskais lauks nav saistīts ar avotu. Tādā veidā elektromagnētiskais vilnis atšķiras no statiskajiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem, kas nepastāv atsevišķi no avota.

Elektromagnētisko viļņu starojuma mehānisms. Elektromagnētisko viļņu starojums notiek ar paātrinātu elektrisko lādiņu kustību. Ir iespējams saprast, kā viļņa šķērsvirziena elektriskais lauks rodas no punktveida lādiņa radiālā Kulona lauka, izmantojot šādu vienkāršu J. Tomsona piedāvāto argumentāciju.

Rīsi. 179. Nekustīga punktveida lādiņa lauks

Aplūkosim punktveida lādiņa radīto elektrisko lauku Ja lādiņš atrodas miera stāvoklī, tad tā elektrostatisko lauku attēlo ar radiālām spēka līnijām, kas izplūst no lādiņa (179. att.). Pieņemsim, ka brīdī lādiņš kāda ārēja spēka iedarbībā sāk kustēties ar paātrinājumu a un pēc kāda laika šī spēka darbība apstājas, tā ka lādiņš virzās tālāk vienmērīgi ar ātrumu. Lādiņa ātruma grafiks ir attēlā parādīts. 180.

Iedomājieties šī lādiņa radītā elektriskā lauka līniju attēlu pēc ilgāka laika. Tā kā elektriskais lauks izplatās ar gaismas ātrumu c,

tad lādiņa kustības izraisītās elektriskā lauka izmaiņas nevarēja sasniegt punktus, kas atrodas ārpus rādiusa sfēras: ārpus šīs sfēras lauks ir tāds pats kā ar stacionāru lādiņu (181. att.). Šī lauka stiprums (Gausa vienību sistēmā) ir vienāds ar

Visas elektriskā lauka izmaiņas, ko izraisa paātrināta lādiņa kustība laika gaitā, atrodas plānā sfēriskā biezuma slānī, kura ārējais rādiuss ir vienāds ar un iekšējais - Tas parādīts attēlā. 181. Rādiusa sfēras iekšpusē elektriskais lauks ir vienmērīgi kustīga lādiņa lauks.

Rīsi. 180. Maksas likmes grafiks

Rīsi. 181. Lādiņa elektriskā lauka intensitātes līnijas, kas kustas atbilstoši grafikam att. 180

Rīsi. 182. Uz paātrināta kustīga lādiņa starojuma lauka intensitātes formulas atvasināšanu.

Ja lādiņa ātrums ir daudz mazāks par gaismas ātrumu c, tad šis lauks laika momentā sakrīt ar stacionāra punktveida lādiņa lauku, kas atrodas attālumā no sākuma (181. att.): lādiņa lauks lēnām. kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, pārvietojas ar to, un lādiņa nobrauktais attālums laika gaitā , kā redzams attēlā. 180, var uzskatīt par vienādu, ja r»t.

Elektriskā lauka attēlu sfēriskā slāņa iekšpusē ir viegli atrast, ņemot vērā spēka līniju nepārtrauktību. Lai to izdarītu, ir jāsavieno atbilstošās radiālās spēka līnijas (181. att.). Lādiņa paātrinātās kustības radītā spēka līniju šķieva "aizbēg" no lādiņa ar ātrumu c. Spēka līnijās starp

sfēras, tas ir mūs interesējošais starojuma lauks, kas izplatās ar ātrumu c.

Lai atrastu starojuma lauku, ņem vērā vienu no intensitātes līnijām, kas veido noteiktu leņķi ar lādiņa kustības virzienu (182. att.). Sadalīsim elektriskā lauka intensitātes vektoru lūzumā E divās komponentēs: radiālajā un šķērsvirziena. Radiālā komponente ir stiprums elektrostatiskais lauks, ko rada lādiņš prom no viņa:

Šķērsvirziena komponents ir elektriskā lauka stiprums viļņā, ko izstaro lādiņš paātrinātas kustības laikā. Tā kā šis vilnis iet pa rādiusu, vektors ir perpendikulārs viļņa izplatīšanās virzienam. No att. 182 to parāda

Aizvietojot šeit no (2), mēs atrodam

Ņemot vērā, ka attiecība ir paātrinājums a, ar kādu lādiņš pārvietojās laika intervālā no 0 līdz, mēs pārrakstām šo izteiksmi formā

Pirmkārt, mēs pievēršam uzmanību tam, ka viļņa elektriskā lauka stiprums samazinās apgriezti ar attālumu no centra, atšķirībā no elektrostatiskā lauka stipruma, kas ir proporcionāls šādai atkarībai no attāluma, un būtu sagaidāms, ja ņemam vērā enerģijas nezūdamības likumu. Tā kā, vilnim izplatoties vakuumā, enerģija netiek absorbēta, enerģijas daudzums, kas izgājis caur jebkura rādiusa sfēru, ir vienāds. Tā kā sfēras virsmas laukums ir proporcionāls tās rādiusa kvadrātam, enerģijas plūsmai caur tās virsmas vienību jābūt apgriezti proporcionālai rādiusa kvadrātam. Ņemot vērā, ka viļņa elektriskā lauka enerģijas blīvums ir vienāds, mēs secinām, ka

Tālāk mēs atzīmējam, ka viļņa lauka stiprums formulā (4) laika momentā ir atkarīgs no lādiņa paātrinājuma un brīdī, kad izstarotais vilnis pēc kāda laika sasniedz punktu, kas atrodas attālumā. vienāds ar

Svārstīga lādiņa starojums. Tagad pieņemsim, ka lādiņš visu laiku kustas pa taisnu līniju ar kādu mainīgu paātrinājumu tuvu sākumam, piemēram, tas veic harmoniskas svārstības. Kamēr tas ir, tas nepārtraukti izstaros elektromagnētiskos viļņus. Viļņa elektriskā lauka stiprumu punktā, kas atrodas attālumā no koordinātu sākuma, joprojām nosaka formula (4), un lauks laika brīdī ir atkarīgs no lādiņa a paātrinājuma agrākā brīdī.

Ļaujiet lādiņa kustībai būt harmoniskām svārstībām tuvu sākuma punktam ar noteiktu amplitūdu A un frekvenci w:

Lādiņa paātrinājumu šādas kustības laikā dod izteiksme

Aizvietojot lādiņa paātrinājumu formulā (5), iegūstam

Elektriskā lauka izmaiņas jebkurā punktā šāda viļņa pārejas laikā ir harmoniskas svārstības ar frekvenci , t.i., oscilējošs lādiņš izstaro monohromatisku vilni. Protams, formula (8) ir derīga attālumos, kas ir lielāki par lādiņa svārstību amplitūdu A.

Elektromagnētiskā viļņa enerģija. Lādiņa izstarotā monohromatiskā viļņa elektriskā lauka enerģijas blīvumu var atrast, izmantojot formulu (8):

Enerģijas blīvums ir proporcionāls lādiņa svārstību amplitūdas kvadrātam un frekvences ceturtajai jaudai.

Jebkuras svārstības ir saistītas ar periodiskām enerģijas pārejām no vienas formas uz otru un otrādi. Piemēram, mehāniskā oscilatora svārstības pavada savstarpējas kinētiskās enerģijas un elastīgās deformācijas potenciālās enerģijas transformācijas. Pētot elektromagnētiskās svārstības ķēdē, mēs redzējām, ka mehāniskā oscilatora potenciālās enerģijas analogs ir elektriskā lauka enerģija kondensatorā, bet kinētiskās enerģijas analogs ir spoles magnētiskā lauka enerģija. Šī analoģija ir derīga ne tikai lokalizētām svārstībām, bet arī viļņu procesiem.

Monohromatiskā viļņā, kas pārvietojas elastīgā vidē, kinētiskās un potenciālās enerģijas blīvumi katrā punktā veic harmoniskas svārstības ar dubultotu frekvenci un tādā veidā, ka to vērtības jebkurā brīdī sakrīt. Tas pats ir ceļojošā monohromatiskā elektromagnētiskā viļņā: elektriskā un magnētiskā lauka enerģijas blīvumi, radot harmoniskas svārstības ar frekvenci, ir vienādi savā starpā katrā punktā jebkurā laikā.

Magnētiskā lauka enerģijas blīvumu izsaka kā indukciju B šādi:

Pielīdzinot elektrisko un magnētisko lauku enerģijas blīvumus ceļojošā elektromagnētiskā viļņā, mēs esam pārliecināti, ka magnētiskā lauka indukcija šādā vilnī ir atkarīga no koordinātām un laika tāpat kā elektriskā lauka stiprums. Citiem vārdiem sakot, ceļojošā viļņā magnētiskā lauka indukcija un elektriskā lauka stiprums ir vienādi jebkurā brīdī jebkurā laikā (Gausa vienību sistēmā):

Elektromagnētiskā viļņa enerģijas plūsma. Kopējais elektromagnētiskā lauka enerģijas blīvums ceļojošā viļņā ir divreiz lielāks par elektriskā lauka enerģijas blīvumu (9). Enerģijas plūsmas blīvums y, ko nes vilnis, ir vienāds ar enerģijas blīvuma un viļņa izplatīšanās ātruma reizinājumu. Izmantojot formulu (9), var redzēt, ka enerģijas plūsma caur jebkuru virsmu svārstās ar frekvenci.Lai atrastu enerģijas plūsmas blīvuma vidējo vērtību, ir nepieciešams noteikt vidējo izteiksmi (9) laika gaitā. Tā kā vidējā vērtība ir 1/2, mēs iegūstam

Rīsi. 183. Enerģijas leņķiskais sadalījums”, ko izstaro svārstīgs lādiņš

Enerģijas plūsmas blīvums vilnī ir atkarīgs no virziena: virzienā, kurā notiek lādiņa svārstības, enerģija netiek izstarota vispār Lielākais skaits enerģija tiek izstarota šim virzienam perpendikulārā plaknē.Svārstīgo lādiņu izstarotās enerģijas leņķiskais sadalījums parādīts att. 183. Lādiņš svārstās pa asi

enerģijas virziens, t.i., diagramma parāda līniju, kas savieno šo segmentu galus.

Enerģijas sadalījumu pa virzieniem telpā raksturo virsma, kuru iegūst, pagriežot diagrammu ap asi

Elektromagnētisko viļņu polarizācija. Vilni, ko vibrators rada harmonisko svārstību laikā, sauc par monohromatisku. Monohromatisku vilni raksturo noteikta frekvence co un viļņa garums X. Viļņa garums un frekvence ir saistīti ar viļņa izplatīšanās ātrumu c:

Elektromagnētiskais vilnis vakuumā ir šķērsvirziena: viļņa elektromagnētiskā lauka intensitātes vektors, kā redzams no iepriekš minētā sprieduma, ir perpendikulārs viļņa izplatīšanās virzienam. Zīmēsim cauri novērošanas punktam Р att. 184 sfēra, kas centrēta uz sākumu, ap kuru izstarojošais lādiņš svārstās pa asi. Uzzīmējiet tajā paralēles un meridiānus. Tad viļņu lauka vektors E būs vērsts tangenciāli uz meridiānu, un vektors B ir perpendikulārs vektoram E un vērsts tangenciāli paralēlei.

Lai to pārbaudītu, sīkāk aplūkosim attiecības starp elektrisko un magnētisko lauku ceļojošā viļņā. Šie lauki pēc viļņa emisijas vairs nav saistīti ar avotu. Mainoties viļņa elektriskajam laukam, rodas magnētiskais lauks, kura spēka līnijas, kā redzējām nobīdes strāvas izpētē, ir perpendikulāras elektriskā lauka spēka līnijām. Šis mainīgais magnētiskais lauks, mainoties, savukārt noved pie virpuļa elektriskā lauka parādīšanās, kas ir perpendikulārs magnētiskajam laukam, kas to radīja. Tādējādi viļņa izplatīšanās laikā elektriskie un magnētiskie lauki atbalsta viens otru, visu laiku paliekot savstarpēji perpendikulāri. Tā kā ceļojošā viļņā elektriskā un magnētiskā lauka izmaiņas notiek viens ar otru fāzē, momentānais viļņa “portrets” (vektori E un B in dažādi punkti līnijas pa izplatīšanās virzienu) ir tāda, kāda parādīta attēlā. 185. Šādu vilni sauc par lineāri polarizētu. Harmonisks oscilējošs lādiņš visos virzienos izstaro lineāri polarizētus viļņus. Lineāri polarizētā vilnī, kas virzās jebkurā virzienā, vektors E vienmēr atrodas vienā plaknē.

Tā kā lineārā elektromagnētiskā vibratora lādiņi veic tieši šādu svārstību kustību, vibratora izstarotais elektromagnētiskais vilnis ir lineāri polarizēts. To ir viegli pārbaudīt eksperimentāli, mainot uztverošā vibratora orientāciju attiecībā pret izstarojošo.

Rīsi. 185. Elektriskie un magnētiskie lauki ceļojošā lineāri polarizētā viļņā

Signāls ir vislielākais, ja uztverošais vibrators atrodas paralēli izstarojošajam (sk. 178. att.). Ja uztverošais vibrators tiek pagriezts perpendikulāri izstarojošajam vibratoram, signāls pazūd. Elektriskās svārstības uztverošajā vibratorā var parādīties tikai gar vibratoru virzītā viļņa elektriskā lauka komponentes dēļ. Tāpēc šāds eksperiments norāda, ka elektriskais lauks vilnī ir paralēls izstarojošajam vibratoram.

Iespējami arī citi šķērsvirziena elektromagnētisko viļņu polarizācijas veidi. Ja, piemēram, vektors E kādā brīdī viļņa pārejas laikā vienmērīgi griežas ap izplatīšanās virzienu, absolūtā vērtībā paliekot nemainīgs, tad vilni sauc par cirkulāri polarizētu vai polarizētu riņķī. Tūlītējs šāda elektromagnētiskā viļņa elektriskā lauka "portrets" ir parādīts attēlā. 186.

Rīsi. 186. Elektriskais lauks ceļojošā cirkulāri polarizētā vilnī

Cirkulāri polarizētu vilni var iegūt, saskaitot divus lineāri polarizētus viļņus ar vienādu frekvenci un amplitūdu, kas izplatās vienā virzienā un kuros elektriskā lauka vektori ir savstarpēji perpendikulāri. Katrā no viļņiem elektriskā lauka vektors katrā punktā veic harmoniskas svārstības. Lai šādu savstarpēji perpendikulāru svārstību summa radītu iegūtā vektora rotāciju, ir nepieciešama fāzes nobīde, citiem vārdiem sakot, saskaitāmie lineāri polarizētie viļņi ir jānobīda par ceturtdaļu no viļņa garuma vienam pret otru.

Viļņu impulss un viegls spiediens. Kopā ar enerģiju elektromagnētiskajam vilnim ir arī impulss. Ja vilnis tiek absorbēts, tad tā impulss tiek pārnests uz objektu, kas to absorbē. No tā izriet, ka absorbcijas laikā elektromagnētiskais vilnis izdara spiedienu uz barjeru. Viļņu spiediena izcelsmi un šī spiediena vērtību var izskaidrot šādi.

Virzīts taisnā līnijā. Tad lādiņa P absorbētā jauda ir vienāda ar

Mēs pieņemam, ka barjera absorbē visu krītošā viļņa enerģiju. Tā kā vilnis nes enerģiju uz barjeras virsmas laukuma vienību laika vienībā, spiediens, ko viļņa rada normālā biežumā, ir vienāds ar viļņa enerģijas blīvumu. Absorbētā elektromagnētiskā viļņa spiediena spēks rada barjeru uz vienu vienību. laiks impulsam, kas saskaņā ar formulu (15) ir vienāds ar absorbēto enerģiju, kas dalīta ar gaismas ātrumu . Un tas nozīmē, ka absorbētajam elektromagnētiskajam viļņam bija impulss, kas ir vienāds ar enerģiju, kas dalīta ar gaismas ātrumu.

Pirmo reizi elektromagnētisko viļņu spiedienu eksperimentāli atklāja P. N. Ļebedevs 1900. gadā ārkārtīgi smalkos eksperimentos.

Kā kvazistacionāras elektromagnētiskās svārstības slēgtā svārstību ķēdē atšķiras no augstfrekvences svārstībām atvērtā vibratorā? Dodiet man mehānisku analoģiju.

Paskaidrojiet, kāpēc elektromagnētiskie viļņi neizstaro slēgtā ķēdē elektromagnētisko kvazistacionāro svārstību laikā. Kāpēc radiācija rodas, kad elektromagnētiskās vibrācijas atvērtā vibratorā?

Aprakstiet un izskaidrojiet Herca eksperimentus par elektromagnētisko viļņu ierosināšanu un noteikšanu. Kādu lomu spēlē dzirksteļu sprauga raidošajos un uztverošajos vibratoros?

Paskaidrojiet, kā ar elektriskā lādiņa paātrinātu kustību gareniskais elektrostatiskais lauks pārvēršas tā izstarotā elektromagnētiskā viļņa šķērsvirziena elektriskajā laukā.

Pamatojoties uz enerģijas apsvērumiem, parādiet, ka vibratora izstarotā sfēriskā viļņa elektriskā lauka stiprums samazinās par 1 1r (atšķirībā no elektrostatiskā lauka).

Kas ir monohromatiskais elektromagnētiskais vilnis? Kas ir viļņa garums? Kā tas ir saistīts ar frekvenci? Kāda ir elektromagnētisko viļņu šķērsvirziena īpašība?

Kas ir elektromagnētiskā viļņa polarizācija? Kādus polarizācijas veidus jūs zināt?

Kādus argumentus jūs varat sniegt, lai pamatotu faktu, ka elektromagnētiskajam viļņam ir impulss?

Izskaidrojiet Lorenca spēka lomu elektromagnētiskā viļņa spiediena spēka iedarbībā uz barjeru.

Tehnoloģiskajam progresam ir arī mīnuss. Dažādu ar elektrību darbināmu tehnoloģiju globālā izmantošana ir radījusi piesārņojumu, kam dots nosaukums – elektromagnētiskais troksnis. Šajā rakstā mēs apsvērsim šīs parādības būtību, tās ietekmes pakāpi uz cilvēka ķermeni un aizsardzības pasākumus.

Kas tas ir un starojuma avoti

Elektromagnētiskais starojums ir elektromagnētiskie viļņi, kas rodas, ja tiek traucēts magnētiskais vai elektriskais lauks. Mūsdienu fizika šo procesu interpretē korpuskulāro viļņu duālisma teorijas ietvaros. Tas ir, minimālā elektromagnētiskā starojuma daļa ir kvants, bet tajā pašā laikā tam ir frekvences viļņu īpašības, kas nosaka tā galvenās īpašības.

Elektromagnētiskā lauka starojuma frekvenču spektrs ļauj to klasificēt šādos veidos:

• radio frekvence (tostarp radioviļņi);
• termiskais (infrasarkanais);
• optiskais (tas ir, redzams ar aci);
• starojums ultravioletajā spektrā un cietais (jonizēts).

Detalizētu spektrālā diapazona (elektromagnētiskās emisijas skalas) ilustrāciju var redzēt zemāk esošajā attēlā.

Radiācijas avotu raksturs

Atkarībā no izcelsmes elektromagnētisko viļņu starojuma avotus pasaules praksē parasti iedala divos veidos, proti:

• mākslīgas izcelsmes elektromagnētiskā lauka perturbācijas;
• starojums no dabīgiem avotiem.

Radiācijas, kas nāk no magnētiskā lauka ap Zemi, elektriskie procesi mūsu planētas atmosfērā, kodolsintēze Saules dzīlēs – tie visi ir dabiskas izcelsmes.

Kas attiecas uz mākslīgajiem avotiem, tie ir blakusefekts, ko izraisa dažādu elektrisko mehānismu un ierīču darbība.

No tiem izplūstošais starojums var būt zema un augsta līmeņa. Elektromagnētiskā lauka starojuma intensitātes pakāpe pilnībā ir atkarīga no avotu jaudas līmeņiem.

Augsta EMP avotu piemēri:

• Elektrības līnijas parasti ir augstsprieguma;
• visa veida elektrotransports, kā arī to pavadošā infrastruktūra;
• televīzijas un radio torņi, kā arī mobilo un mobilo sakaru stacijas;
• iekārtas elektrotīkla sprieguma pārveidošanai (jo īpaši viļņiem, kas izplūst no transformatora vai sadales apakšstacijas);
• lifti un cita veida celšanas iekārtas, kur tiek izmantota elektromehāniskā spēkstacija.

Tipiski avoti, kas izstaro zema līmeņa starojumu, ir šādas elektriskās iekārtas:

• gandrīz visas ierīces ar CRT displeju (piemēram: maksājumu terminālis vai dators);
• dažādi veidi mājsaimniecības ierīces, sākot no gludekļiem līdz klimata sistēmām;
• inženiertehniskās sistēmas, kas nodrošina elektroenerģiju dažādiem objektiem (tas nozīmē ne tikai strāvas kabeli, bet ar to saistītās iekārtas, piemēram, rozetes un elektrības skaitītājus).

Atsevišķi ir vērts izcelt medicīnā izmantoto speciālo aprīkojumu, kas izstaro cieto starojumu (rentgena aparāti, MRI u.c.).

Ietekme uz cilvēku

Neskaitāmo pētījumu gaitā radiobiologi nonāca pie neapmierinoša secinājuma - ilgstoša elektromagnētisko viļņu starošana var izraisīt slimību "sprādzienu", proti, izraisa strauju patoloģisko procesu attīstību cilvēka organismā. Turklāt daudzi no tiem ievieš pārkāpumus ģenētiskā līmenī.

Video: kā elektromagnētiskais starojums ietekmē cilvēkus.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q

Tas ir saistīts ar faktu, ka elektromagnētiskais lauks augsts līmenis bioloģiskā aktivitāte, kas negatīvi ietekmē dzīvos organismus. Ietekmes faktors ir atkarīgs no šādiem komponentiem:

• radītā starojuma raksturs;
• cik ilgi un ar kādu intensitāti tas turpinās.

Elektromagnētiskā starojuma ietekme uz cilvēka veselību ir tieši atkarīga no lokalizācijas. Tas var būt gan vietējs, gan vispārīgs. Pēdējā gadījumā notiek liela mēroga apstarošana, piemēram, elektropārvades līniju radītais starojums.

Attiecīgi vietējā apstarošana attiecas uz ietekmi uz noteiktām ķermeņa daļām. Elektromagnētiskie viļņi, kas izplūst no elektroniskā pulksteņa vai mobilā tālruņa, ir spilgts vietēja efekta piemērs.

Atsevišķi jāatzīmē augstfrekvences elektromagnētiskā starojuma termiskā ietekme uz dzīvām vielām. Lauka enerģija tiek pārvērsta par siltumenerģija(molekulu vibrācijas dēļ) šis efekts ir balstīts uz rūpniecisko mikroviļņu emitētāju darbu, ko izmanto apkurei dažādas vielas. Atšķirībā no ieguvumiem rūpnieciskajos procesos, termiskā ietekme uz cilvēka ķermeni var būt kaitīga. No radiobioloģijas viedokļa nav ieteicams atrasties "silto" elektroiekārtu tuvumā.

Jāņem vērā, ka ikdienā regulāri tiekam pakļauti starojuma iedarbībai, un tas notiek ne tikai darbā, bet arī mājās vai pārvietojoties pa pilsētu. Laika gaitā bioloģiskā iedarbība uzkrājas un pastiprinās. Pieaugot elektromagnētiskajam troksnim, raksturīgo smadzeņu slimību skaits vai nervu sistēma. Ņemiet vērā, ka radiobioloģija ir diezgan jauna zinātne, tāpēc elektromagnētiskā starojuma kaitējums dzīviem organismiem nav rūpīgi pētīts.

Attēlā parādīts parasto sadzīves tehnikas radīto elektromagnētisko viļņu līmenis.

Ņemiet vērā, ka lauka intensitātes līmenis ievērojami samazinās līdz ar attālumu. Tas ir, lai samazinātu tā ietekmi, pietiek ar attālumu no avota noteiktā attālumā.

Elektromagnētiskā lauka starojuma normas (racionēšanas) aprēķināšanas formula ir norādīta attiecīgajos GOST un SanPiN.

Radiācijas aizsardzība

Ražošanā absorbējošie (aizsargājošie) ekrāni tiek aktīvi izmantoti kā līdzeklis aizsardzībai pret starojumu. Diemžēl ar šādu aprīkojumu mājās nav iespējams pasargāt sevi no elektromagnētiskā lauka starojuma, jo tas tam nav paredzēts.

• lai samazinātu elektromagnētiskā lauka starojuma ietekmi līdz gandrīz nullei, jums vajadzētu attālināties no elektropārvades līnijām, radio un televīzijas torņiem vismaz 25 metru attālumā (jāņem vērā avota jauda);
• CRT monitoram un televizoram šis attālums ir daudz mazāks - apmēram 30 cm;
• elektronisko pulksteni nedrīkst novietot blakus spilvenam, optimālais attālums tiem vairāk nekā 5 cm;
• kas attiecas uz radioaparātiem un mobilajiem tālruņiem, nav ieteicams tos tuvināt par 2,5 centimetriem.

Ņemiet vērā, ka daudzi cilvēki zina, cik bīstami ir stāvēt pie augstsprieguma elektrolīnijām, taču tajā pašā laikā lielākā daļa cilvēku nepievērš nozīmi parastajām sadzīves elektroierīcēm. Lai gan pietiek sistēmas bloku nolikt uz grīdas vai pārvietot, un jūs pasargāsit sevi un savus mīļos. Mēs iesakām to izdarīt un pēc tam izmērīt fonu no datora, izmantojot elektromagnētiskā lauka starojuma detektoru, lai vizuāli pārbaudītu tā samazināšanos.

Šis padoms attiecas arī uz ledusskapja novietojumu, daudzi to liek pie virtuves galda, praktiski, bet nedroši.

Neviena tabula nevarēs norādīt precīzu drošu attālumu līdz konkrētai elektroiekārtai, jo emisijas var atšķirties gan atkarībā no ierīces modeļa, gan ražotāja valsts. Šobrīd nav vienota starptautiska standarta, tāpēc dažādās valstīs normas var būtiski atšķirties.

Jūs varat precīzi noteikt starojuma intensitāti, izmantojot īpašu ierīci - fluxmeter. Saskaņā ar Krievijā pieņemtajiem standartiem maksimālā pieļaujamā deva nedrīkst pārsniegt 0,2 μT. Mērījumus iesakām veikt dzīvoklī, izmantojot iepriekš minēto elektromagnētiskā lauka starojuma pakāpes mērīšanas ierīci.

Fluxmeter - ierīce elektromagnētiskā lauka starojuma pakāpes mērīšanai

Centieties samazināt laiku, kad esat pakļauts starojumam, tas ir, ilgstoši neuzturieties strādājošu elektroierīču tuvumā. Piemēram, ēdiena gatavošanas laikā nemaz nav nepieciešams pastāvīgi stāvēt pie elektriskās plīts vai mikroviļņu krāsns. Runājot par elektroiekārtām, var redzēt, ka silts ne vienmēr nozīmē drošu.

Vienmēr izslēdziet elektroierīces, kad tās netiek lietotas. Cilvēki bieži to atstāj ieslēgtu dažādas ierīces, neņemot vērā, ka šobrīd elektromagnētiskais starojums tiek izstarots no elektrotehnikas. Izslēdziet savu portatīvo datoru, printeri vai citu aprīkojumu, nav nepieciešams kārtējo reizi pakļauties starojumam, atcerieties par savu drošību.

tas ir elektromagnētiskās mijiedarbības izplatīšanās process telpā.
Elektromagnētiskie viļņi ir vispārīgi aprakstīti priekš elektromagnētiskās parādības Maksvela vienādojumi. Pat ja kosmosā nav elektrisko lādiņu un strāvu, Maksvela vienādojumiem ir risinājumi, kas atšķiras no nulles. Šie risinājumi apraksta elektromagnētiskos viļņus.
Ja nav lādiņu un strāvu, Maksvela vienādojumi ir šādā formā:

,

Pielietojot operāciju rot pirmajiem diviem vienādojumiem, var iegūt atsevišķus vienādojumus elektriskā un magnētiskā lauka stipruma noteikšanai

Šiem vienādojumiem ir tipiska forma viļņu vienādojumi. To atsaistes ir šāda veida izteiksmju superpozīcija

Kur - noteikts vektors, ko sauc par viļņu vektoru,? - skaitlis, ko sauc par ciklisko frekvenci, ? - fāze. Lielumi ir elektromagnētiskā viļņa elektrisko un magnētisko komponentu amplitūdas. Tie ir savstarpēji perpendikulāri un vienādi pēc absolūtās vērtības. Katra ievadītā daudzuma fiziskā interpretācija ir sniegta zemāk.
Vakuumā elektromagnētiskais vilnis pārvietojas ar ātrumu, ko sauc par gaismas ātrumu. Gaismas ātrums ir fundamentāla fiziskā konstante, kas tiek apzīmēta Latīņu burts c. Saskaņā ar relativitātes teorijas pamatpostulātu gaismas ātrums ir maksimālais iespējamais informācijas pārraides vai ķermeņa kustības ātrums. Šis ātrums ir 299 792 458 m/s.
Elektromagnētisko viļņu raksturo frekvence. Atšķirt līnijas frekvenci? un cikliskā frekvence? = 2??. Atkarībā no frekvences elektromagnētiskie viļņi pieder vienam no spektrālajiem diapazoniem.
Vēl viena elektromagnētiskā viļņa īpašība ir viļņu vektors. Viļņu vektors nosaka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās virzienu, kā arī tā garumu. Vēja vektora absolūto vērtību sauc par viļņa skaitli.
Elektromagnētiskā viļņa garums? = 2? / k, kur k ir viļņa skaitlis.
Elektromagnētiskā viļņa garums ir saistīts ar frekvenci, izmantojot dispersijas likumu. Tukšumā šis savienojums ir vienkāršs:

?? = c.

Šo attiecību bieži raksta kā

? = c k.

Elektromagnētiskie viļņi ar vienādu frekvenci un viļņu vektoru var atšķirties fāzē.
Vakuumā elektromagnētiskā viļņa elektriskā un magnētiskā lauka stipruma vektori noteikti ir perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam. Šādus viļņus sauc par šķērsviļņiem. Matemātiski to raksturo vienādojumi un . Turklāt elektriskā un magnētiskā lauka stiprumi ir perpendikulāri viens otram un vienmēr ir vienādi absolūtā vērtībā jebkurā telpas punktā: E = H. Ja izvēlaties koordinātu sistēmu tā, lai z ass sakristu ar izplatīšanās virzienu. No elektromagnētiskā viļņa ir divas dažādas iespējas virzienu elektriskā lauka intensitātes vektoriem. Ja eklektiskais lauks ir vērsts pa x asi, tad magnētiskais lauks tiks virzīts pa y asi un otrādi. Šīs divas dažādās iespējas nav viena otru izslēdzošas un atbilst divām dažādām polarizācijām. Šis jautājums ir sīkāk apspriests rakstā Viļņu polarizācija.
Spektra diapazoni ar izvēlētu redzamo gaismu Atkarībā no frekvences vai viļņa garuma (šie lielumi ir saistīti) elektromagnētiskos viļņus klasificē dažādos diapazonos. Viļņi dažādos diapazonos dažādos veidos mijiedarbojas ar fiziskajiem ķermeņiem.
Elektromagnētiskos viļņus ar zemāko frekvenci (vai garāko viļņa garumu) sauc par radio diapazons. Radio joslu izmanto, lai pārraidītu signālus no attāluma, izmantojot radio, televīziju, Mobilie tālruņi. Radars darbojas radio diapazonā. Radio diapazons ir sadalīts metros, ditsemetros, centimetros, milimetros atkarībā no elektromagnētiskā viļņa garuma.
Elektromagnētiskie viļņi, visticamāk, pieder pie infrasarkanā diapazona. Infrasarkanajā diapazonā atrodas ķermeņa termiskais starojums. Šīs vibrācijas reģistrēšana ir nakts redzamības ierīču darbības pamats. Infrasarkanie viļņi tiek izmantoti, lai pētītu termiskās vibrācijas ķermeņos un palīdzētu noteikt atomu struktūru. cietvielas, gāzes un šķidrumi.
Elektromagnētiskais starojums ar viļņa garumu no 400 nm līdz 800 nm pieder pie redzamās gaismas diapazona. Redzamajai gaismai ir dažādas krāsas atkarībā no frekvences un viļņa garuma.
Tiek saukti viļņu garumi, kas mazāki par 400 nm ultravioletais. Cilvēka acs tos neatšķir, lai gan to īpašības neatšķiras no redzamā diapazona viļņu īpašībām. Šādas gaismas augstā frekvence un līdz ar to kvantu enerģija izraisa ultravioleto viļņu postošāku ietekmi uz bioloģiskiem objektiem. Zemes virsma ir aizsargāta no kaitīgo ietekmi ultravioletie viļņi ar ozona slāni. Papildu aizsardzībai daba cilvēkus apveltīja ar tumšu ādu. bet ultravioletie stari cilvēkam nepieciešams D vitamīna ražošanai. Tieši tāpēc cilvēki in ziemeļu platuma grādos, kur ultravioleto viļņu intensitāte ir mazāka, zaudēja ādas tumšo krāsu.
Augstākas frekvences elektromagnētiskie viļņi ir rentgens diapazons. Tos tā sauc, jo tos atklāja Rentgens, pētot starojumu, kas veidojas elektronu palēninājuma laikā. Ārzemju literatūrā šādus viļņus sauc rentgenstari respektējot Rentgena vēlmi, lai stari viņu nesauc vārdā. Rentgenstaru viļņi vāji mijiedarbojas ar vielu, un tie tiek absorbēti spēcīgāk vietās, kur blīvums ir lielāks. Šo faktu medicīnā izmanto rentgena fluorogrāfijai. Rentgena viļņus izmanto arī elementu analīzei un kristālisko ķermeņu struktūras izpētei.
ir visaugstākā frekvence un īsākais garums ?-stariem. Rezultātā rodas šie stari kodolreakcijas un reakcijas starp elementārdaļiņām. ?-stariem ir liela postoša ietekme uz bioloģiskajiem objektiem. Tomēr tos izmanto fizikā, lai pētītu dažādas īpašības atoma kodols.
Elektromagnētiskā viļņa enerģiju nosaka elektriskā un magnētiskā lauka enerģiju summa. Enerģijas blīvumu noteiktā telpas punktā nosaka:

.

Laika vidējais enerģijas blīvums ir vienāds ar.

,

Kur E 0 = H 0 ir viļņa amplitūda.
Liela nozīme ir elektromagnētiskā viļņa enerģijas plūsmas blīvumam. Jo īpaši tas nosaka gaismas plūsmu optikā. Elektromagnētiskā viļņa enerģijas plūsmas blīvumu nosaka Umova-Pointinga vektors.

Elektromagnētisko viļņu izplatībai vidē ir vairākas pazīmes, salīdzinot ar izplatīšanos vakuumā. Šīs īpašības ir saistītas ar vides īpašībām un parasti ir atkarīgas no elektromagnētiskā viļņa frekvences. Viļņa elektriskās un magnētiskās sastāvdaļas izraisa vides polarizāciju un magnetizāciju. Šī barotnes reakcija zemu un augstu frekvenču gadījumā nav vienāda. Zemā elektromagnētiskā viļņa frekvencē vielas elektroniem un joniem ir laiks reaģēt uz elektriskā un magnētiskā lauka intensitātes izmaiņām. Vides reakcija izseko laika svārstības viļņos. Augstā frekvencē vielas elektroniem un joniem nav laika nobīdīties viļņu lauku svārstību periodā, un tāpēc vides polarizācija un magnetizācija ir daudz mazāka.
Zemfrekvences elektromagnētiskais lauks neiekļūst metālos, kur ir daudz brīvo elektronu, kas tādā veidā tiek izspiesti, pilnībā dzēš elektromagnētisko vilni. Elektromagnētiskais vilnis sāk iekļūt metālā ar frekvenci, kas pārsniedz noteiktu frekvenci, ko sauc par plazmas frekvenci. Frekvencēs, kas ir zemākas par plazmas frekvenci, elektromagnētiskais vilnis var iekļūt metāla virsmas slānī. Šo parādību sauc par ādas efektu.
Dielektrikā mainās elektromagnētiskā viļņa dispersijas likums. Ja elektromagnētiskie viļņi vakuumā izplatās ar nemainīgu amplitūdu, tad vidē tie samazinās absorbcijas dēļ. Šajā gadījumā viļņa enerģija tiek pārnesta uz vides elektroniem vai joniem. Kopumā dispersijas likums, ja nav magnētisko efektu, izpaužas

Kur viļņa skaitlis k ir kopējais kompleksais lielums, kura iedomātā daļa raksturo elektromagnētiskā viļņa amplitūdas samazināšanos, ir no frekvences atkarīga vides kompleksā caurlaidība.
Anizotropā vidē elektrisko un magnētisko lauku vektoru virziens ne vienmēr ir perpendikulārs viļņu izplatīšanās virzienam. Tomēr elektriskās un magnētiskās indukcijas vektoru virziens saglabā šo īpašību.
Vidē noteiktos apstākļos var izplatīties cita veida elektromagnētiskais vilnis - gareniskais elektromagnētiskais vilnis, kuram elektriskā lauka intensitātes vektora virziens sakrīt ar viļņa izplatīšanās virzienu.
Divdesmitā gadsimta sākumā, lai izskaidrotu melnā ķermeņa starojuma spektru, Makss Planks ierosināja, ka elektromagnētiskos viļņus izstaro kvanti, kuru enerģija ir proporcionāla frekvencei. Dažus gadus vēlāk Alberts Einšteins, skaidrojot fotoelektriskā efekta fenomenu, paplašināja šo ideju, pieņemot, ka elektromagnētiskos viļņus absorbē tie paši kvanti. Tādējādi kļuva skaidrs, ka elektromagnētiskajiem viļņiem ir raksturīgas dažas īpašības, kas iepriekš tika attiecinātas uz materiāla daļiņām, asinsķermenīšiem.
Šo ideju sauc par korpuskulāro viļņu duālismu.

Dž.Maksvels 1864. gadā izveidoja elektromagnētiskā lauka teoriju, saskaņā ar kuru elektriskais un magnētiskais lauks pastāv kā viena veseluma – elektromagnētiskā lauka – savstarpēji saistīti komponenti. Telpā, kur ir mainīgs magnētiskais lauks, tiek ierosināts mainīgs elektriskais lauks un otrādi.

Elektromagnētiskais lauks- viens no matērijas veidiem, ko raksturo elektrisko un magnētisko lauku klātbūtne, ko savieno nepārtraukta savstarpēja transformācija.

Elektromagnētiskais lauks izplatās telpā elektromagnētisko viļņu veidā. Sprieguma vektora svārstības E un magnētiskās indukcijas vektors B rodas savstarpēji perpendikulārās plaknēs un perpendikulāri viļņu izplatīšanās virzienam (ātruma vektoram).

Šos viļņus izstaro svārstīgas lādētas daļiņas, kuras tajā pašā laikā virzās vadītājā ar paātrinājumu. Lādiņam kustoties vadītājā, rodas mainīgs elektriskais lauks, kas ģenerē mainīgu magnētisko lauku, un pēdējais savukārt izraisa mainīga elektriskā lauka parādīšanos jau lielākā attālumā no lādiņa utt.

Tiek saukts elektromagnētiskais lauks, kas laika gaitā izplatās telpā elektromagnētiskais vilnis.

Elektromagnētiskie viļņi var izplatīties vakuumā vai jebkurā citā vielā. Elektromagnētiskie viļņi vakuumā pārvietojas ar gaismas ātrumu c=3 10 8 m/s. Vielā elektromagnētiskā viļņa ātrums ir mazāks nekā vakuumā. Elektromagnētiskais vilnis nes enerģiju.

Elektromagnētiskajam viļņam ir šādas pamatīpašības: izplatās taisnā līnijā, tā spēj lauzt, atstarot, tai piemīt difrakcijas, interferences, polarizācijas parādības. Visas šīs īpašības ir gaismas viļņi kas aizņem atbilstošo viļņu garumu diapazonu elektromagnētiskā starojuma skalā.

Mēs zinām, ka elektromagnētisko viļņu garums ir ļoti atšķirīgs. Aplūkojot elektromagnētisko viļņu skalu, kas norāda dažādu starojumu viļņu garumus un frekvences, mēs izšķiram 7 diapazonus: zemas frekvences starojums, radio emisija, infrasarkanie stari, redzamā gaisma, ultravioletie stari, rentgenstari un gamma starojums.

• zemas frekvences viļņi . Starojuma avoti: augstfrekvences strāvas, ģenerators maiņstrāva, elektromobiļi. Tos izmanto metālu kausēšanai un rūdīšanai, pastāvīgo magnētu ražošanai, elektrorūpniecībā.
• radio viļņi rodas radio un televīzijas staciju, mobilo tālruņu, radaru uc antenās. Tos izmanto radio sakaros, televīzijā un radaros.
• infrasarkanie viļņi visi sakarsētie ķermeņi izstaro. Pielietojums: kausēšana, griešana, ugunsizturīgo metālu lāzermetināšana, fotografēšana miglā un tumsā, koka, augļu un ogu žāvēšana, nakts redzamības ierīces.
• redzamais starojums. Avoti - Saule, elektriskā un dienasgaismas spuldze, elektriskā loka, lāzers. Pielietojums: apgaismojums, fotoelektriskais efekts, hologrāfija.
• ultravioletais starojums . Avoti: saule, kosmoss, gāzizlādes (kvarca) lampa, lāzers. Tas var iznīcināt patogēnās baktērijas. To izmanto dzīvo organismu sacietēšanai.
• rentgena starojums .

Elektromagnētiskie viļņi (kuru tabula tiks sniegta zemāk) ir magnētisko un elektrisko lauku traucējumi, kas tiek izplatīti telpā. Ir vairāki to veidi. Fizika ir šo traucējumu izpēte. Elektromagnētiskie viļņi veidojas tāpēc, ka mainīgais elektriskais lauks ģenerē magnētisko, un tas savukārt elektrisko.

Pētījumu vēsture

Pirmās teorijas, kuras var uzskatīt par senākajām hipotēžu versijām par elektromagnētiskajiem viļņiem, ir datētas vismaz ar Huygens laikiem. Šajā periodā pieņēmumi sasniedza izteiktu kvantitatīvu attīstību. Huygens 1678. gadā publicēja sava veida teorijas "konspektus" - "Traktāts par gaismu". 1690. gadā viņš publicēja arī vēl vienu ievērojamu darbu. Tajā tika izklāstīta kvalitatīvā atstarošanas, refrakcijas teorija tādā formā, kādā tā joprojām tiek pasniegta skolas mācību grāmatās ("Elektromagnētiskie viļņi", 9. klase).

Tajā pašā laikā tika formulēts Huygens princips. Ar tās palīdzību kļuva iespējams izpētīt viļņu frontes kustību. Šis princips vēlāk tika izstrādāts Fresnela darbos. Huygens-Fresnel princips bija īpaši svarīgs difrakcijas teorijā un gaismas viļņu teorijā.

1660.-1670. gados Huks un Ņūtons sniedza lielu eksperimentālu un teorētisku ieguldījumu pētniecībā. Kurš atklāja elektromagnētiskos viļņus? Kurš veica eksperimentus, kas pierādīja to esamību? Kādi ir elektromagnētisko viļņu veidi? Vairāk par to vēlāk.

Maksvela pamatojums

Pirms runāt par to, kas atklāja elektromagnētiskos viļņus, jāsaka, ka pirmais zinātnieks, kurš vispār paredzēja to eksistenci, bija Faradejs. Savu hipotēzi viņš izvirzīja 1832. gadā. Vēlāk šo teoriju izstrādāja Maksvels. Līdz 1865. gadam viņš pabeidza šo darbu. Rezultātā Maksvels formulēja teoriju stingri matemātiski, pamatojot aplūkojamo parādību esamību. Viņš arī noteica elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu, kas sakrita ar toreiz lietoto gaismas ātruma vērtību. Tas savukārt ļāva viņam pamatot hipotēzi, ka gaisma ir viens no aplūkojamajiem starojuma veidiem.

Eksperimentāls atklājums

Maksvela teorija guva apstiprinājumu Herca eksperimentos 1888. gadā. Šeit jāsaka, ka vācu fiziķis veica savus eksperimentus, lai atspēkotu teoriju, neskatoties uz tās matemātisko pamatojumu. Tomēr, pateicoties saviem eksperimentiem, Hertz kļuva par pirmo, kurš praksē atklāja elektromagnētiskos viļņus. Turklāt savu eksperimentu laikā zinātnieks atklāja starojuma īpašības un īpašības.

Hercs saņēma elektromagnētiskās svārstības un viļņus, ierosinot virkni impulsu ar strauji mainīgu plūsmu vibratorā, izmantojot paaugstināta sprieguma avotu. Augstas frekvences straumes var noteikt, izmantojot cilpu. Šajā gadījumā svārstību frekvence būs augstāka, jo lielāka ir tās kapacitāte un induktivitāte. Bet tajā pašā laikā augsta frekvence negarantē intensīvu plūsmu. Lai veiktu savus eksperimentus, Hertz izmantoja diezgan vienkāršu ierīci, ko šodien sauc par "Hertz vibratoru". Ierīce ir atvērta tipa svārstību ķēde.

Herca pieredzes diagramma

Radiācijas reģistrācija tika veikta, izmantojot uztverošo vibratoru. Šai ierīcei bija tāds pats dizains kā izstarojošajai ierīcei. Elektromagnētiskā viļņa ietekmē mainīgs lauks uztvērējā ierīcē tika ierosinātas strāvas svārstības. Ja šajā ierīcē tā dabiskā frekvence un plūsmas frekvence sakrita, tad parādījās rezonanse. Tā rezultātā uztveršanas ierīcē radās traucējumi ar lielāku amplitūdu. Pētnieks tos atklāja, novērojot dzirksteles starp vadītājiem nelielā spraugā.

Tādējādi Hertz kļuva par pirmo, kurš atklāja elektromagnētiskos viļņus, pierādīja to spēju labi atstarot no vadītājiem. Viņš praktiski pamatoja stāvoša starojuma veidošanos. Turklāt Hertz noteica elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu gaisā.

Raksturlielumu izpēte

Elektromagnētiskie viļņi izplatās gandrīz visos medijos. Telpā, kas ir piepildīta ar vielu, starojums dažos gadījumos var tikt izplatīts diezgan labi. Bet tajā pašā laikā viņi nedaudz maina savu uzvedību.

Elektromagnētiskos viļņus vakuumā nosaka bez vājināšanās. Tie ir sadalīti jebkurā, patvaļīgi lielā attālumā. Galvenās viļņu īpašības ir polarizācija, frekvence un garums. Īpašību apraksts tiek veikts elektrodinamikas ietvaros. Tomēr specifiskākas fizikas nozares nodarbojas ar starojuma īpašībām noteiktos spektra reģionos. Tajos ietilpst, piemēram, optika.

Augstas enerģijas sadaļa nodarbojas ar īsviļņu garuma spektrālā gala cietā elektromagnētiskā starojuma izpēti. Ņemot vērā mūsdienu idejas, dinamika pārstāj būt neatkarīga disciplīna un tiek apvienota ar vienu teoriju.

Īpašību izpētē izmantotās teorijas

Šodien tādas ir dažādas metodes, sniedzot ieguldījumu vibrāciju izpausmju un īpašību modelēšanā un izpētē. Būtiskākā no pārbaudītajām un pabeigtajām teorijām ir kvantu elektrodinamika. No tā, veicot noteiktus vienkāršojumus, kļūst iespējams iegūt šādas metodes, kuras tiek plaši izmantotas dažādās jomās.

Salīdzinoši zemas frekvences starojuma apraksts makroskopiskā vidē tiek veikts, izmantojot klasisko elektrodinamiku. Tas ir balstīts uz Maksvela vienādojumiem. Tajā pašā laikā ir vienkāršoti piemērotie pieteikumi. Optiskajā pētījumā tiek izmantota optika. Viļņu teoriju izmanto gadījumos, kad dažas optiskās sistēmas daļas ir tuvu viļņu garumiem. Kvantu optiku izmanto gadījumos, kad ir būtiski svarīgi fotonu izkliedes un absorbcijas procesi.

Ģeometriski optiskā teorija- ierobežojošais gadījums, kad ir pieļaujama viļņa garuma neievērošana. Ir arī vairākas lietišķās un fundamentālās sadaļas. Tie ietver, piemēram, astrofiziku, vizuālās uztveres un fotosintēzes bioloģiju un fotoķīmiju. Kā tiek klasificēti elektromagnētiskie viļņi? Tālāk ir parādīta tabula, kas ilustrē sadalījumu grupās.

Klasifikācija

Ir elektromagnētisko viļņu frekvenču diapazoni. Starp tiem nav asu pāreju, dažreiz tie pārklājas viens ar otru. Robežas starp tām ir diezgan patvaļīgas. Sakarā ar to, ka plūsma tiek sadalīta nepārtraukti, frekvence ir stingri saistīta ar garumu. Zemāk ir norādīti elektromagnētisko viļņu diapazoni.

Ultraīso starojumu parasti iedala mikrometros (submilimetrs), milimetrs, centimetrs, decimetrs, metrs. Ja elektromagnētiskais starojums mazāk par metru, tad to parasti sauc par īpaši augstas frekvences (SHF) svārstībām.

Elektromagnētisko viļņu veidi

Iepriekš ir norādīti elektromagnētisko viļņu diapazoni. Kādi ir straumju veidi? Grupā ietilpst gamma un rentgena stari. Tajā pašā laikā jāsaka, ka gan ultravioletā, gan pat redzamā gaisma spēj jonizēt atomus. Robežas, kurās atrodas gamma un rentgena plūsmas, tiek noteiktas diezgan nosacīti. 20 eV - 0,1 MeV robežas tiek pieņemtas kā vispārēja orientācija. Gamma plūsmas šaurā nozīmē izstaro kodols, rentgena starus izstaro elektrons atomu apvalks elektronu izsitīšanas procesā no zemām orbītām. Tomēr šī klasifikācija nav piemērojama cietajam starojumam, kas rodas bez kodolu un atomu līdzdalības.

Rentgenstaru plūsmas veidojas, kad uzlādētas ātras daļiņas (protoni, elektroni u.c.) palēninās un procesu rezultātā, kas notiek atomu elektronu čaulu iekšpusē. Gamma svārstības rodas procesu rezultātā atomu kodolos un elementārdaļiņu transformācijas laikā.

radio straumes

Pienākas liela nozīmeŠos viļņus var ņemt vērā, neņemot vērā vides atomisko struktūru. Vienīgie izņēmumi ir īsākās plūsmas, kas atrodas blakus spektra infrasarkanajam apgabalam. Radio diapazonā svārstību kvantu īpašības izpaužas diezgan vāji. Tomēr tie ir jāņem vērā, piemēram, analizējot molekulāro laiku un frekvences standartus iekārtas dzesēšanas laikā līdz vairāku kelvinu temperatūrai.

Aprakstot oscilatorus un pastiprinātājus milimetru un centimetru diapazonā, tiek ņemtas vērā arī kvantu īpašības. Radio plūsma veidojas maiņstrāvas kustības laikā caur atbilstošās frekvences vadītājiem. Pārejošs elektromagnētiskais vilnis kosmosā ierosina atbilstošo vilni. Šis īpašums tiek izmantots antenu projektēšanā radiotehnikā.

Redzamās straumes

Ultravioletais un infrasarkanais redzamais starojumsšī vārda plašā nozīmē veido tā saukto spektra optisko apgabalu. Šī reģiona izvēli nosaka ne tikai atbilstošo zonu tuvums, bet arī pētījumā izmantoto un galvenokārt redzamās gaismas izpētes laikā izstrādāto instrumentu līdzība. Tie jo īpaši ietver spoguļus un lēcas starojuma fokusēšanai, difrakcijas režģi, prizmas un citus.

Optisko viļņu frekvences ir salīdzināmas ar molekulu un atomu frekvencēm, un to garums ir salīdzināms ar starpmolekulārajiem attālumiem un molekulu izmēriem. Tāpēc šajā jomā nozīmīgas kļūst parādības, kas rodas matērijas atomiskās struktūras dēļ. Tā paša iemesla dēļ gaismai kopā ar viļņu īpašībām ir arī kvantu īpašības.

Optisko plūsmu rašanās

Slavenākais avots ir Saule. Zvaigznes virsmas (fotosfēras) temperatūra ir 6000 kelvinu, un tā izstaro spilgti baltu gaismu. Nepārtrauktā spektra lielākā vērtība atrodas "zaļajā" zonā - 550 nm. Ir arī maksimālais vizuālais jutīgums. Svārstības optiskajā diapazonā rodas, kad ķermeņi tiek uzkarsēti. Tāpēc infrasarkanās plūsmas tiek sauktas arī par termiskām.

Jo spēcīgāka ir ķermeņa sildīšana, jo augstāka ir frekvence, kurā atrodas spektra maksimums. Ar noteiktu temperatūras paaugstināšanos tiek novērots siltums (spīd redzamā diapazonā). Šajā gadījumā vispirms parādās sarkana krāsa, pēc tam dzeltena un tā tālāk. Optisko plūsmu izveide un reģistrācija var notikt bioloģiskajā un ķīmiskās reakcijas, no kuriem viens tiek izmantots fotogrāfijā. Lielākajai daļai uz Zemes dzīvojošo radību fotosintēze darbojas kā enerģijas avots. Šī bioloģiskā reakcija notiek augos optiskā saules starojuma ietekmē.

Elektromagnētisko viļņu īpašības

Vides un avota īpašības ietekmē plūsmu īpašības. Tas jo īpaši nosaka lauku atkarību no laika, kas nosaka plūsmas veidu. Piemēram, mainoties attālumam no vibratora (tam palielinoties), izliekuma rādiuss kļūst lielāks. Rezultātā veidojas plaknes elektromagnētiskais vilnis. Mijiedarbība ar vielu arī notiek dažādos veidos.

Plūsmu absorbcijas un emisijas procesus, kā likums, var aprakstīt, izmantojot klasiskās elektrodinamiskās attiecības. Vēl jo vairāk attiecībā uz viļņiem optiskajā reģionā un cietajiem stariem ir jāņem vērā to kvantu raksturs.

Straumes avoti

Neskatoties uz fizisko atšķirību, visur - radioaktīvā vielā, televīzijas raidītājā, kvēlspuldzē - tiek satraukti elektromagnētiskie viļņi elektriskie lādiņi kas pārvietojas ar paātrinājumu. Ir divi galvenie avotu veidi: mikroskopiskie un makroskopiskie. Pirmajā notiek pēkšņa uzlādētu daļiņu pāreja no viena līmeņa uz otru molekulu vai atomu iekšienē.

Mikroskopiskie avoti izstaro rentgena, gamma, ultravioleto, infrasarkano, redzamo un dažos gadījumos garo viļņu starojumu. Pēdējais piemērs ir līnija ūdeņraža spektrā, kas atbilst 21 cm garam vilnim.Šī parādība ir īpaši svarīga radioastronomijā.

Makroskopiskie avoti ir izstarotāji, kuros vadītāju brīvie elektroni veic periodiskas sinhronas svārstības. Šīs kategorijas sistēmās plūsmas tiek ģenerētas no milimetra līdz garākajai (elektrības līnijās).

Plūsmu struktūra un stiprums

Ar paātrinājumu un periodiski mainīgas strāvas ietekmē viena otru ar noteiktiem spēkiem. Virziens un to lielums ir atkarīgi no tādiem faktoriem kā zonas lielums un konfigurācija, kurā atrodas strāvas un lādiņi, to relatīvais virziens un lielums. Būtiska ietekme ir arī konkrētas vides elektriskajām īpašībām, kā arī izmaiņām lādiņu koncentrācijā un avota strāvu sadalījumā.

Saistībā ar vispārējā sarežģītība problēmas formulējums, spēku likumu nav iespējams attēlot vienas formulas veidā. Struktūru, ko sauc par elektromagnētisko lauku un vajadzības gadījumā uzskata par matemātisko objektu, nosaka lādiņu un strāvu sadalījums. To savukārt rada dots avots, ņemot vērā robežnosacījumus. Nosacījumus nosaka mijiedarbības zonas forma un materiāla īpašības. Ja mēs runājam par neierobežotu platību, šie apstākļi tiek papildināti. Kā īpašs papildu nosacījumsšādos gadījumos parādās radiācijas stāvoklis. Pateicoties tam, tiek garantēta lauka "pareizā" uzvedība bezgalībā.

Studiju laika grafiks

Lomonosovs dažos savos noteikumos paredz noteiktus elektromagnētiskā lauka teorijas postulātus: daļiņu "rotācijas" (rotācijas) kustību, gaismas "svārstību" (viļņu) teoriju, tās kopību ar elektrības dabu utt. Infrasarkanais starojums straumes 1800. gadā atklāja Heršels (angļu zinātnieki), un nākamajā, 1801. gadā, ultravioleto starojumu aprakstīja Riters. Radiāciju, kas ir īsāka par ultravioleto diapazonu, Rentgens atklāja 1895. gadā, 8. novembrī. Pēc tam to sauca par rentgenu.

Elektromagnētisko viļņu ietekmi ir pētījuši daudzi zinātnieki. Tomēr Narkevičs-Jodko (Baltkrievijas zinātnieks) bija pirmais, kurš izpētīja plūsmu iespējas un to apjomu. Viņš pētīja plūsmu īpašības saistībā ar praktisko medicīnu. Gamma starojumu atklāja Pols Vilards 1900. gadā. Tajā pašā laika posmā Planks veica teorētiskus pētījumus par melnā ķermeņa īpašībām. Studiju procesā viņš atklāja procesa kvantu raksturu. Viņa darbs bija attīstības sākums. Pēc tam tika publicēti vairāki Planka un Einšteina darbi. Viņu pētījumi noveda pie tāda jēdziena kā fotons veidošanās. Tas savukārt lika pamatu kvantu teorijas radīšanai. elektromagnētiskās plūsmas. Tās attīstība turpinājās divdesmitā gadsimta vadošo zinātnieku darbos.

Turpmākie pētījumi un darbs pie elektromagnētiskā starojuma kvantu teorijas un tā mijiedarbības ar vielu galu galā noveda pie kvantu elektrodinamikas veidošanās tādā formā, kādā tā pastāv šodien. No izcilajiem zinātniekiem, kas iesaistīti šī jautājuma izpētē, bez Einšteina un Planka jāmin Bors, Boss, Diraks, de Broglis, Heizenbergs, Tomonaga, Švingers, Feinmens.

Secinājums

Fizikas vērtība iekšā mūsdienu pasaule pietiekami liels. Gandrīz viss, kas mūsdienās tiek izmantots cilvēka dzīvē, parādījās pateicoties praktiska izmantošana izcilu zinātnieku pētījumi. Elektromagnētisko viļņu atklāšana un jo īpaši to izpēte noveda pie parasto un vēlāk mobilo tālruņu radio raidītāju radīšanas. Īpaša nozīme praktiska izmantošanašādas teorētiskās zināšanas ir medicīnas, rūpniecības, tehnoloģiju jomā.

Šāda plašā izmantošana ir saistīta ar zinātnes kvantitatīvo raksturu. Viss fiziskie eksperimenti ir balstīti uz mērījumiem, pētāmo parādību īpašību salīdzināšanu ar pieejamajiem standartiem. Šim nolūkam disciplīnas ietvaros komplekss mērinstrumenti un vienības. Visām esošajām materiālajām sistēmām ir kopīgas vairākas likumsakarības. Piemēram, enerģijas nezūdamības likumi tiek uzskatīti par vispārējiem fizikāliem likumiem.

Zinātne kopumā daudzos gadījumos tiek saukta par fundamentālu. Tas galvenokārt ir saistīts ar to, ka citas disciplīnas sniedz aprakstus, kas, savukārt, pakļaujas fizikas likumiem. Tātad ķīmijā tiek pētīti atomi, no tiem veidotās vielas un pārvērtības. Bet Ķīmiskās īpašībasķermeņi ir noteikti fiziskās īpašības molekulas un atomi. Šīs īpašības raksturo tādas fizikas nozares kā elektromagnētisms, termodinamika un citas.