Kas ir elektromagnētiskie viļņi? Elektromagnētiskais vilnis ir elektromagnētiskā lauka izplatīšanās process telpā.

Elektromagnētiskie viļņi ir daudzu gadu debašu un tūkstošiem eksperimentu rezultāts. Dabas izcelsmes spēku klātbūtnes pierādījums, kas var pagriezt pašreizējo sabiedrību. Tā ir vienkāršas patiesības faktiskā pieņemšana – mēs pārāk maz zinām par pasauli, kurā dzīvojam.

Fizika ir karaliene dabaszinātņu vidū, kas spēj atbildēt uz jautājumiem ne tikai par dzīvības, bet arī pašas pasaules izcelsmi. Tas dod zinātniekiem iespēju pētīt elektriskos un magnētiskos laukus, kuru mijiedarbības rezultātā rodas EMW (elektromagnētiskie viļņi).

Kas ir elektromagnētiskais vilnis

Ne tik sen mūsu valsts ekrānos tika izlaista filma “Strauju karš” (2018), kurā ar daiļliteratūras piesitienu tā stāsta par abu izcilo zinātnieku Edisona un Teslas strīdu. Viens mēģināja pierādīt labumu no līdzstrāva, otrs - no mainīgā. Šī ilgā cīņa beidzās tikai divdesmit pirmā gadsimta septītajā gadā.

Pašā “kaujas” sākumā cits zinātnieks, kas strādāja pie relativitātes teorijas, elektrību un magnētismu aprakstīja kā līdzīgas parādības.

Deviņpadsmitā gadsimta trīsdesmitajā gadā fiziķis angļu izcelsme Faradejs atklāja šo fenomenu elektromagnētiskā indukcija un ieviesa elektriskā un magnētiskā lauka vienotības terminu. Viņš arī apgalvoja, ka kustību šajā laukā ierobežo gaismas ātrums.

Nedaudz vēlāk angļu zinātnieka Maksvela teorija stāstīja, ka elektrība izraisa magnētisku efektu, un magnētisms izraisa izskatu. elektriskais lauks. Tā kā abi šie lauki pārvietojas telpā un laikā, tie veido perturbācijas – tas ir, elektromagnētiskos viļņus.

Vienkārši sakot, elektromagnētiskais vilnis ir elektriskās ierīces telpiska perturbācija magnētiskais lauks.

Eksperimentāli EMW esamību pierādīja vācu zinātnieks Hercs.

Elektromagnētiskie viļņi, to īpašības un raksturojums

Elektromagnētiskos viļņus raksturo šādi faktori:

• garums (pietiekami plašs diapazons);
• biežums;
• intensitāte (vai svārstību amplitūda);
• enerģijas daudzums.

Visa elektromagnētiskā starojuma pamatīpašība ir viļņa garuma lielums (vakuumā), ko parasti norāda nanometros redzamās gaismas spektram.

Katrs nanometrs apzīmē mikrometra tūkstošdaļu, un to mēra ar attālumu starp divām secīgām virsotnēm (virsotnēm).

Atbilstošā viļņa starojuma frekvence ir sinusoidālo svārstību skaits un ir apgriezti proporcionāla viļņa garumam.

Frekvenci parasti mēra hercos. Tādējādi garāki viļņu garumi atbilst zemākai starojuma frekvencei, un īsāki viļņu garumi atbilst augstākai starojuma frekvencei.

Galvenās viļņu īpašības:

• refrakcija;
• pārdomas;
• absorbcija;
• iejaukšanās.

elektromagnētisko viļņu ātrums

Faktiskais elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no materiāla, kas ir vidē, tā optiskā blīvuma un tāda faktora kā spiediens.

Turklāt, dažādi materiāli ir atšķirīgs atomu "iepakošanas" blīvums, jo tuvāk tie atrodas, jo mazāks attālums un lielāks ātrums. Tā rezultātā elektromagnētiskā viļņa ātrums ir atkarīgs no materiāla, caur kuru tas pārvietojas.

Līdzīgi eksperimenti tiek veikti hadronu paātrinātājā, kur galvenais ietekmes instruments ir lādēta daļiņa. Pētījums par elektromagnētiskās parādības notiek tur kvantu līmenī, kad gaisma sadalās sīkās daļiņās – fotonos. Bet kvantu fizika ir atsevišķs jautājums.

Saskaņā ar relativitātes teoriju lielākais viļņu izplatīšanās ātrums nevar pārsniegt gaismas ātrumu.Ātruma ierobežojuma ierobežotību savos rakstos aprakstīja Maksvels, skaidrojot to ar jauna lauka – ētera – klātbūtni. Mūsdienu oficiālā zinātne šādas attiecības vēl nav pētījusi.

Elektromagnētiskais starojums un tā veidi

Elektromagnētiskais starojums sastāv no elektromagnētiskajiem viļņiem, kas tiek novēroti kā elektrisko un magnētisko lauku svārstības, izplatoties gaismas ātrumā (vakuumā 300 km sekundē).

Kad EM starojums mijiedarbojas ar vielu, tā uzvedība mainās kvalitatīvi, mainoties frekvencei. Kāpēc tas tiek pārveidots par:

1. Radio emisija. Radiofrekvencēs un mikroviļņu frekvencēs em starojums mijiedarbojas ar vielu galvenokārt kopēja lādiņu kopuma veidā, kas tiek sadalīti liels skaits ietekmētie atomi.
2. Infrasarkanais starojums. Atšķirībā no zemfrekvences radio un mikroviļņu starojuma, infrasarkanais izstarotājs parasti mijiedarbojas ar dipoliem, kas atrodas atsevišķās molekulās, kas mainās galos, kad tie vibrē. ķīmiskā saite atomu līmenī.
3. Redzamā gaismas emisija. Palielinoties frekvencei redzamajā diapazonā, fotoniem ir pietiekami daudz enerģijas, lai mainītu dažu atsevišķu molekulu saistīto struktūru.
4. Ultravioletais starojums. Biežums palielinās. Tagad ultravioletajos fotonos ir pietiekami daudz enerģijas (vairāk nekā trīs volti), lai divreiz iedarbotos uz molekulu saitēm, pastāvīgi pārkārtojot tās ķīmiski.
5. Jonizējošā radiācija. Augstākajās frekvencēs un mazākajā viļņa garumā. Šo staru absorbcija matērijā ietekmē visu gamma spektru. Slavenākais efekts ir starojums.

Kas ir elektromagnētisko viļņu avots

Pasaule, saskaņā ar jauno teoriju par visa izcelsmi, radās, pateicoties impulsam. Viņš izlaida kolosālu enerģiju, ko sauca par lielu sprādzienu. Tā Visuma vēsturē parādījās pirmais em-vilnis.

Pašlaik traucējumu veidošanās avoti ir:

• emv izstaro mākslīgo vibratoru;
• atomu grupu vai molekulu daļu vibrācijas rezultāts;
• ja ir ietekme uz ārējā čaula vielas (atomu molekulārā līmenī);
• gaismai līdzīgs efekts;
• kodola sabrukšanas laikā;
• elektronu palēninājuma sekas.

Elektromagnētiskā starojuma mērogs un pielietojums

Radiācijas skala nozīmē plašu viļņu frekvences diapazonu no 3·10 6 ÷10 -2 līdz 10 -9 ÷ 10 -14 .

Katrai elektromagnētiskā spektra daļai ir plašs pielietojuma klāsts mūsu ikdienas dzīvē:

1. Maza garuma viļņi (mikroviļņi). Šie elektriskie viļņi tiek izmantoti kā satelīta signāls, jo tie spēj apiet zemes atmosfēru. Arī apkurei un ēdiena gatavošanai virtuvē tiek izmantota nedaudz uzlabota versija - šī ir mikroviļņu krāsns. Sagatavošanas princips ir vienkāršs - zem darbības mikroviļņu starojumsūdens molekulas tiek absorbētas un paātrinātas, izraisot trauku uzkaršanu.
2. Radiotehnoloģijās (radio viļņos) tiek izmantotas ilgstošas ​​perturbācijas. To frekvence neļauj iziet cauri mākoņiem un atmosfērai, pateicoties kuriem mums ir pieejams FM radio un televīzija.
3. Infrasarkanie traucējumi ir tieši saistīti ar siltumu. Viņu redzēt ir gandrīz neiespējami. Mēģiniet bez īpaša aprīkojuma pamanīt staru no televizora, mūzikas centra vai radio tālvadības pults automašīnā. Ierīces, kas spēj nolasīt šādus viļņus, tiek izmantotas valstu armijās (nakts redzamības ierīce). Arī indukcijas plītīs virtuvēs.
4. Ultravioletais starojums ir saistīts arī ar siltumu. Visspēcīgākais šāda starojuma dabiskais "ģenerators" ir saule. Tieši ultravioletā starojuma iedarbības dēļ uz cilvēka ādas veidojas iedegums. Medicīnā šāda veida vilnis tiek izmantots instrumentu dezinfekcijai, iznīcinot baktērijas un.
5. Gamma stari ir visspēcīgākais starojuma veids, kurā koncentrējas īsviļņu traucējumi ar augstu frekvenci. Enerģija, kas atrodas šajā elektromagnētiskā spektra daļā, piešķir stariem lielāku caurlaidības spēku. Piemērojams in kodolfizika- miermīlīgie, kodolieroči - kaujas izmantošana.

Elektromagnētisko viļņu ietekme uz cilvēka veselību

Zinātnieku pienākums ir izmērīt emv ietekmi uz cilvēkiem. Bet jums nav jābūt speciālistam, lai novērtētu jonizējošā starojuma intensitāti - tas izraisa izmaiņas cilvēka DNS līmenī, kas izraisa tādas nopietnas slimības kā onkoloģija.

Nav brīnums, ka Černobiļas katastrofas kaitīgā ietekme tiek uzskatīta par vienu no dabai bīstamākajām. Vairāki kvadrātkilometri kādreiz skaistās teritorijas kļuvuši par pilnīgas atstumtības zonu. Līdz gadsimta beigām sprādziens Černobiļas atomelektrostacijā ir bīstams līdz radionuklīdu pussabrukšanas perioda beigām.

Daži emv veidi (radio, infrasarkanie, ultravioletie) nerada lielu kaitējumu personai un rada tikai diskomfortu. Galu galā zemes magnētisko lauku praktiski nejūtam mēs, bet gan emv no Mobilais telefons var izraisīt galvassāpes(ietekme uz nervu sistēmu).

Lai pasargātu savu veselību no elektromagnētisma, vienkārši jāievēro saprātīgi piesardzības pasākumi. Tā vietā, lai simtiem stundu spēlētu datorspēli, dodieties pastaigā.

1864. gadā Džeimss Klerks Maksvels paredzēja elektromagnētisko viļņu pastāvēšanas iespēju kosmosā. Šo apgalvojumu viņš izvirzīja, pamatojoties uz secinājumiem, kas izriet no visu tolaik zināmo eksperimentālo datu analīzes par elektrību un magnētismu.

Maksvels matemātiski vienoja elektrodinamikas likumus, sasaistot elektriskos un magnētiskās parādības, un tādējādi nonācis pie secinājuma, ka elektriskie un magnētiskie lauki, kas laika gaitā mainās, rada viens otru.

Sākotnēji viņš uzsvēra faktu, ka attiecības starp magnētisko un elektriskās parādības nav simetrisks, un ieviesa terminu "virpulis". elektriskais lauks”, piedāvājot savu, patiesi jaunu Faradeja atklātās elektromagnētiskās indukcijas fenomena skaidrojumu: “ikvienas izmaiņas magnētiskajā laukā noved pie tā, ka apkārtējā telpā parādās virpuļveida elektriskais lauks ar slēgtu. spēka līnijas».

Pēc Maksvela domām, godīgs bija pretējs apgalvojums, ka "mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku apkārtējā telpā", taču šis apgalvojums sākotnēji palika tikai hipotēze.

Maksvels pierakstīja matemātisko vienādojumu sistēmu, kas konsekventi aprakstīja magnētisko un elektrisko lauku savstarpējo transformāciju likumus, šie vienādojumi vēlāk kļuva par elektrodinamikas pamatvienādojumiem, un kļuva pazīstami kā "Maksvela vienādojumi" par godu izcilajam zinātniekam, kurš tos pierakstīja. . Maksvela hipotēzei, kas balstīta uz rakstītajiem vienādojumiem, bija vairāki zinātnei un tehnoloģijai ārkārtīgi svarīgi secinājumi, kas sniegti tālāk.

Elektromagnētiskie viļņi patiešām pastāv

Kosmosā var pastāvēt šķērsvirziena elektromagnētiskie viļņi, kas laika gaitā izplatās. To, ka viļņi ir šķērseniski, liecina tas, ka magnētiskās indukcijas B un elektriskā lauka intensitātes E vektori ir savstarpēji perpendikulāri un abi atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās virzienam.

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vielā ir ierobežots, un to nosaka elektriskā un magnētiskās īpašības materiāls, caur kuru izplatās vilnis. Šajā gadījumā sinusoidālā viļņa garums λ ir saistīts ar ātrumu υ ar noteiktu precīzu sakarību λ = υ / f, un ir atkarīgs no lauka svārstību frekvences f. Elektromagnētiskā viļņa ātrums c vakuumā ir viena no fundamentālajām fizikālajām konstantēm – gaismas ātrums vakuumā.

Tā kā Maksvels deklarēja elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātruma galīgumu, tas radīja pretrunu starp viņa hipotēzi un tajā laikā pieņemto tāldarbības teoriju, saskaņā ar kuru viļņu izplatīšanās ātrumam bija jābūt bezgalīgam. Tāpēc Maksvela teoriju sauca par maza attāluma darbības teoriju.

Elektromagnētiskajā viļņā elektrisko un magnētisko lauku transformācija viens otrā notiek vienlaicīgi, tāpēc magnētiskās enerģijas tilpuma blīvumi un elektriskā enerģija ir vienādi viens ar otru. Tāpēc apgalvojums ir patiess, ka elektriskā lauka intensitātes un magnētiskā lauka indukcijas moduļi ir savstarpēji savienoti katrā telpas punktā ar šādu attiecību:

elektromagnētiskais vilnis tās izplatīšanas procesā rada straumi elektromagnētiskā enerģija, un, ja ņemam vērā laukumu plaknē, kas ir perpendikulāra viļņu izplatīšanās virzienam, tad īsā laikā pa to pārvietosies noteikts daudzums elektromagnētiskās enerģijas. Elektromagnētiskās enerģijas plūsmas blīvums ir enerģijas daudzums, ko elektromagnētiskais vilnis pārvieto caur laukuma vienības virsmu laika vienībā. Aizvietojot ātruma, kā arī magnētiskās un elektriskās enerģijas vērtības, mēs varam iegūt plūsmas blīvuma izteiksmi lielumu E un B izteiksmē.

Tā kā viļņu enerģijas izplatīšanās virziens sakrīt ar viļņa izplatīšanās ātruma virzienu, enerģijas plūsmu, kas izplatās elektromagnētiskajā vilnī, var noteikt, izmantojot vektoru, kas virzīts tāpat kā viļņa izplatīšanās ātrums. Šo vektoru sauc par "Pointing vektoru" - par godu britu fiziķis Henrijs Pointings, kurš 1884. gadā izstrādāja teoriju par elektromagnētiskā lauka enerģijas plūsmas izplatīšanos. Viļņu enerģijas plūsmas blīvumu mēra W/kv.m.

Kad vielu iedarbojas elektriskais lauks, tajā parādās nelielas strāvas, kas ir sakārtota elektriski lādētu daļiņu kustība. Šīs strāvas elektromagnētiskā viļņa magnētiskajā laukā tiek pakļautas Ampēra spēka iedarbībai, kas tiek virzīts dziļi vielā. Ampera spēks un rezultātā rodas spiediens.

Vēlāk, 1900. gadā, šo parādību pētīja un eksperimentāli apstiprināja krievu fiziķis Pjotrs Nikolajevičs Ļebedevs, kura eksperimentālie darbi bija ļoti svarīgi Maksvela elektromagnētisma teorijas apstiprināšanai un tās pieņemšanai un apstiprināšanai nākotnē.

Tas, ka elektromagnētiskais vilnis rada spiedienu, ļauj spriest par mehāniska impulsa klātbūtni elektromagnētiskajā laukā, ko tilpuma vienībai var izteikt ar elektromagnētiskās enerģijas tilpuma blīvumu un viļņu izplatīšanās ātrumu vakuumā:

Tā kā impulss ir saistīts ar masas kustību, var ieviest tādu jēdzienu kā elektromagnētiskā masa, un tad tilpuma vienībai šī attiecība (saskaņā ar SRT) iegūs universāla dabas likuma raksturu un būs attiecas uz jebkuriem materiāliem ķermeņiem neatkarīgi no matērijas formas. Un tad elektromagnētiskais lauks ir līdzīgs materiālam ķermenim - tam ir enerģija W, masa m, impulss p un ierobežots izplatīšanās ātrums v. Tas ir, elektromagnētiskais lauks ir viena no matērijas formām, kas faktiski pastāv dabā.

Pirmo reizi 1888. gadā Heinrihs Hercs eksperimentāli apstiprināja Maksvela elektromagnētisko teoriju. Viņš empīriski pierādīja elektromagnētisko viļņu realitāti un pētīja to īpašības, piemēram, refrakciju un absorbciju dažādos medijos, kā arī viļņu atstarošanu no metāla virsmām.

Hercs izmērīja viļņa garumu un parādīja, ka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu. Herca eksperimentālais darbs bija pēdējais solis ceļā uz Maksvela elektromagnētiskās teorijas atzīšanu. Septiņus gadus vēlāk, 1895. gadā, krievu fiziķis Aleksandrs Stepanovičs Popovs izmantoja elektromagnētiskos viļņus, lai izveidotu bezvadu sakarus.

Līdzstrāvas ķēdēs lādiņi pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, un elektromagnētiskie viļņi šajā gadījumā netiek izstaroti kosmosā. Lai radiācija notiktu, ir jāizmanto antena, kurā tiek ierosinātas maiņstrāvas, tas ir, strāvas, kas ātri maina virzienu.

Vienkāršākajā formā elektriskais dipols ir piemērots elektromagnētisko viļņu izstarošanai. mazs izmērs, kura dipola moments laika gaitā strauji mainītos. Tieši šādu dipolu mūsdienās sauc par "Herca dipolu", kura izmērs ir vairākas reizes mazāks par tā izstarotā viļņa garumu.

Kad to izstaro Herca dipols, maksimālā plūsma elektromagnētiskā enerģija krīt uz plaknes, kas ir perpendikulāra dipola asij. Pa dipola asi netiek izstarota elektromagnētiskā enerģija. Herca svarīgākajos eksperimentos gan elektromagnētisko viļņu izstarošanai, gan uztveršanai tika izmantoti elementārie dipoli un pierādīta elektromagnētisko viļņu esamība.

M. Faradejs iepazīstināja ar lauka jēdzienu:

elektrostatiskais lauks ap lādiņu miera stāvoklī

ap kustīgiem lādiņiem (strāva) ir magnētiskais lauks.

1830. gadā M. Faradejs atklāja elektromagnētiskās indukcijas fenomenu: mainoties magnētiskajam laukam, rodas virpuļveida elektriskais lauks.

2.7. attēls. Virpuļa elektriskais lauks

kur,
- elektriskā lauka intensitātes vektors,
- magnētiskās indukcijas vektors.

Mainīgs magnētiskais lauks rada virpuļveida elektrisko lauku.

1862. gadā D.K. Maksvels izvirzīja hipotēzi: mainoties elektriskajam laukam, rodas virpuļmagnētiskais lauks.

Radās ideja par vienotu elektromagnētisko lauku.

Attēls 2.8 - Vienots elektromagnētiskais lauks.

Mainīgais elektriskais lauks rada virpuļmagnētisko lauku.

Elektromagnētiskais lauks- šī ir īpaša matērijas forma - elektrisko un magnētisko lauku kombinācija. Mainīgi elektriskie un magnētiskie lauki pastāv vienlaikus un veido vienu elektromagnētisko lauku. Tas ir materiāls:

Tas izpaužas darbībā gan miera stāvoklī, gan kustībā;

Tas izplatās ar lielu, bet ierobežotu ātrumu;

Tas pastāv neatkarīgi no mūsu gribas un vēlmēm.

Uzlādes ātrumā, nulle, ir tikai elektriskais lauks. Pie nemainīga uzlādes ātruma tiek ģenerēts elektromagnētiskais lauks.

Paātrinot lādiņa kustību, tiek izstarots elektromagnētiskais vilnis, kas izplatās telpā ar ierobežotu ātrumu .

Elektromagnētisko viļņu idejas attīstība pieder Maksvelam, taču Faradejs jau zināja par to esamību, lai gan baidījās publicēt darbu (tas tika izlasīts vairāk nekā 100 gadus pēc viņa nāves).

Galvenais elektromagnētiskā viļņa rašanās nosacījums ir paātrināta elektrisko lādiņu kustība.

Kas ir elektromagnētiskais vilnis, ir viegli iedomāties šādu piemēru. Ja uz ūdens virsmas izmet oļu, tad uz virsmas veidojas viļņi, kas atšķiras riņķos. Tie pārvietojas no to rašanās avota (traucējumi) ar noteiktu izplatīšanās ātrumu. Elektromagnētiskajiem viļņiem traucējumi ir elektriskie un magnētiskie lauki, kas pārvietojas telpā. Laika mainīgs elektromagnētiskais lauks noteikti izraisa mainīgu magnētisko lauku un otrādi. Šie lauki ir savstarpēji saistīti.

Galvenais elektromagnētisko viļņu spektra avots ir Saules zvaigzne. Daļa no elektromagnētisko viļņu spektra redz cilvēka aci. Šis spektrs atrodas 380...780 nm robežās (2.1. att.). Redzamajā spektrā acs gaismu uztver atšķirīgi. Elektromagnētiskās svārstības ar dažādu viļņu garumu izraisa gaismas sajūtu ar dažādām krāsām.

2.9. attēls. Elektromagnētisko viļņu spektrs

Daļu no elektromagnētisko viļņu spektra izmanto radio un televīzijas apraidei un sakariem. Elektromagnētisko viļņu avots ir vads (antena), kurā notiek svārstības elektriskie lādiņi. Lauku veidošanās process, kas sākās netālu no stieples, pakāpeniski, punktu pa punktam aptver visu telpu. Jo augstāka frekvence maiņstrāva ejot cauri vadam un ģenerējot elektrisko vai magnētisko lauku, jo intensīvāki ir stieples radītie noteikta garuma radioviļņi.

Radio(lat. radio - izstaro, izstaro starus ← rādiuss - stars) - bezvadu sakaru veids, kurā par signāla nesēju izmanto radioviļņus, kas brīvi izplatās telpā.

radio viļņi(no radio...), elektromagnētiskie viļņi ar viļņa garumu > 500 µm (frekvence< 6×10 12 Гц).

Radioviļņi ir elektriskie un magnētiskie lauki, kas laika gaitā mainās. Radioviļņu izplatīšanās ātrums brīvā telpā ir 300 000 km/s. Pamatojoties uz to, jūs varat noteikt radioviļņa garumu (m).

λ=300/f, kur f — frekvence (MHz)

Telefona sarunas laikā radītās gaisa skaņas vibrācijas mikrofons pārvērš skaņas frekvences elektriskās vibrācijās, kuras pa vadiem pārraida uz abonenta aprīkojumu. Tur, līnijas otrā galā, ar telefona raidītāja palīdzību tās tiek pārvērstas gaisa vibrācijās, ko abonents uztver kā skaņas. Telefonijā saziņas līdzekļi ir vadi, radio apraidē radioviļņi.

Jebkuras radiostacijas raidītāja "sirds" ir ģenerators - ierīce, kas ģenerē augstas, bet stingri nemainīgas frekvences svārstības konkrētai radiostacijai. Šīs radiofrekvenču svārstības, pastiprinātas līdz vajadzīgajai jaudai, nonāk antenā un apkārtējā telpā uzbudina tieši tādas pašas frekvences elektromagnētiskās svārstības – radioviļņus. Radioviļņu noņemšanas ātrums no radiostacijas antenas ir vienāds ar gaismas ātrumu: 300 000 km / s, kas ir gandrīz miljons reižu ātrāk nekā skaņas izplatīšanās gaisā. Tas nozīmē, ka, ja Maskavas apraides stacijā noteiktā laika momentā tiktu ieslēgts raidītājs, tad tā radioviļņi Vladivostoku sasniegtu mazāk nekā 1/30 s, un skaņai šajā laikā būtu laiks izplatīties tikai 10- 11 m.

Radioviļņi izplatās ne tikai gaisā, bet arī tur, kur tādu nav, piemēram, kosmosā. Šajā ziņā tie atšķiras no skaņas viļņi, kam absolūti nepieciešams gaiss vai kāda cita blīva vide, piemēram, ūdens.

elektromagnētiskais vilnis ir elektromagnētiskais lauks, kas izplatās telpā (vektoru svārstības
). Tuvumā lādiņam elektriskie un magnētiskie lauki mainās ar fāzes nobīdi p/2.

2.10. attēls. Vienots elektromagnētiskais lauks.

Lielā attālumā no lādiņa elektriskie un magnētiskie lauki mainās fāzē.

2.11. attēls. Elektrisko un magnētisko lauku izmaiņas vienā fāzē.

Elektromagnētiskais vilnis ir šķērsvirziena. Elektromagnētiskā viļņa ātruma virziens sakrīt ar labās skrūves kustības virzienu, pagriežot vektora karkasa rokturi uz vektoru .

2.12. attēls - elektromagnētiskais vilnis.

Turklāt elektromagnētiskajā vilnī attiecības
, kur c ir gaismas ātrums vakuumā.

Maksvels teorētiski aprēķināja elektromagnētisko viļņu enerģiju un ātrumu.

Pa šo ceļu, viļņu enerģija ir tieši proporcionāla frekvences ceturtajai pakāpei. Tas nozīmē, ka, lai vieglāk fiksētu vilni, tam ir jābūt augstas frekvences.

Elektromagnētiskos viļņus atklāja G. Hercs (1887).

Slēgta svārstību ķēde neizstaro elektromagnētiskos viļņus: visa kondensatora elektriskā lauka enerģija tiek pārvērsta spoles magnētiskā lauka enerģijā. Svārstību frekvenci nosaka oscilācijas ķēdes parametri:
.

Attēls 2.13 - Svārstību ķēde.

Lai palielinātu frekvenci, nepieciešams samazināt L un C, t.i. pagrieziet spoli uz taisnu vadu un, kā
, samaziniet plākšņu laukumu un izklājiet tās līdz maksimālajam attālumam. Tas parāda, ka mēs būtībā iegūstam taisnu vadītāju.

Šādu ierīci sauc par Hertz vibratoru. Vidus nogriež un savieno ar augstfrekvences transformatoru. Starp vadu galiem, uz kuriem ir piestiprināti nelieli sfēriski vadītāji, lec elektriskā dzirkstele, kas ir elektromagnētiskā viļņa avots. Vilnis izplatās tā, ka elektriskā lauka intensitātes vektors svārstās plaknē, kurā atrodas vadītājs.

Attēls 2.14 - Hertz vibrators.

Ja vienu un to pašu vadītāju (antenu) novieto paralēli emitētājam, tad tajā esošie lādiņi svārstīsies un starp vadītājiem lēks vājas dzirksteles.

Hercs eksperimentā atklāja elektromagnētiskos viļņus un izmērīja to ātrumu, kas sakrita ar Maksvela aprēķināto un vienāds ar c=3. 10 8 m/s.

Mainīgs elektriskais lauks ģenerē mainīgu magnētisko lauku, kas, savukārt, ģenerē mainīgu elektrisko lauku, tas ir, antena, kas ierosina vienu no laukiem, izraisa viena elektromagnētiskā lauka parādīšanos. Šī lauka svarīgākā īpašība ir tā, ka tas izplatās elektromagnētisko viļņu veidā.

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vidē bez zudumiem ir atkarīgs no vides relatīvās dielektriskās un magnētiskās caurlaidības. Gaisam vides magnētiskā caurlaidība ir vienāda ar vienu, tāpēc elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums šajā gadījumā ir vienāds ar gaismas ātrumu.

Antena var būt vertikāls vads, ko darbina augstfrekvences ģenerators. Ģenerators tērē enerģiju, lai paātrinātu brīvo elektronu kustību vadītājā, un šī enerģija tiek pārvērsta mainīgā elektromagnētiskajā laukā, tas ir, elektromagnētiskajos viļņos. Jo augstāka ir ģeneratora strāvas frekvence, jo ātrāk mainās elektromagnētiskais lauks un intensīvāka ir viļņu dzīšana.

Antenas vadam ir pievienots gan elektriskais lauks, kura spēka līnijas sākas no pozitīvajiem un beidzas ar negatīviem lādiņiem, gan magnētiskais lauks, kura līnijas noslēdzas ap vada strāvu. Jo īsāks ir svārstību periods, jo mazāk laika paliek, lai saistīto lauku enerģija atgrieztos vadā (tas ir, ģeneratorā) un jo vairāk tā pāriet brīvos laukos, kas tālāk izplatās elektromagnētisko viļņu veidā. Efektīvs elektromagnētisko viļņu starojums notiek pie viļņa garuma un izstarojošā stieples garuma samērojamības nosacījuma.

Tādējādi var noteikt, ka radio vilnis- tas ir elektromagnētiskais lauks, kas nav saistīts ar emitētāju un kanālu veidojošām ierīcēm, kas brīvi izplatās telpā viļņa veidā ar svārstību frekvenci no 10 -3 līdz 10 12 Hz.

Elektronu svārstības antenā rada periodiski mainīga EML avots ar periodu T. Ja kādā brīdī laukam pie antenas bija maksimālā vērtība, tad pēc kāda laika tam būs tāda pati vērtība T. Šajā laikā elektromagnētiskais lauks, kas pastāvēja sākotnējā brīdī pie antenas, pārvietosies uz attālumu

λ = υТ (1)

Tiek izsaukts minimālais attālums starp diviem telpas punktiem, kur laukam ir vienāda vērtība viļņa garums. Kā izriet no (1), viļņa garums λ ir atkarīgs no tā izplatīšanās ātruma un antenā esošo elektronu svārstību perioda. Jo biežums strāva f = 1/T, tad viļņa garums λ = υ / f .

Radio saite ietver šādas galvenās daļas:

Raidītājs

Uztvērējs

Vide, kurā izplatās radioviļņi.

Raidītājs un uztvērējs ir vadāmi radiosaites elementi, jo ir iespējams palielināt raidītāja jaudu, pieslēgt efektīvāku antenu un palielināt uztvērēja jutību. Medijs ir nekontrolēts radio saites elements.

Atšķirība starp radiosakaru līniju un vadu līnijām ir tāda, ka vadu līnijās kā savienojuma saite tiek izmantoti vadi vai kabeļi, kas ir vadāmi elementi (var mainīt to elektriskos parametrus).

Elektromagnētiskie viļņi, saskaņā ar fiziku, ir vieni no noslēpumainākajiem. Tajos enerģija faktiski pazūd nekurienē, parādās no nekurienes. Visā zinātnē nav cita līdzīga objekta. Kā notiek visas šīs brīnumainās pārvērtības?

Maksvela elektrodinamika

Viss sākās ar to, ka zinātnieks Maksvels tālajā 1865. gadā, paļaujoties uz Faradeja darbu, atvasināja elektromagnētiskā lauka vienādojumu. Pats Maksvels uzskatīja, ka viņa vienādojumi apraksta viļņu vērpes un spriegumu ēterī. Divdesmit trīs gadus vēlāk Hercs eksperimentāli radīja šādus traucējumus vidē, un viņam izdevās ne tikai saskaņot tos ar elektrodinamikas vienādojumiem, bet arī iegūt likumus, kas regulē šo traucējumu izplatīšanos. Ir radusies ziņkārīga tendence visus traucējumus, kam ir elektromagnētisks raksturs, pasludināt par Herca viļņiem. Tomēr šie starojumi nav vienīgais veids, kā veikt enerģijas pārnesi.

Bezvadu savienojums

Līdz šim, līdz iespējasšādu bezvadu sakaru ieviešana ietver:

Elektrostatiskais savienojums, ko sauc arī par kapacitatīvu;

indukcija;

strāva;

Tesla savienojums, tas ir, elektronu blīvuma viļņu savienojums gar vadošām virsmām;

Plašākais izplatītāko nesēju klāsts, ko sauc par elektromagnētiskajiem viļņiem – no īpaši zemām frekvencēm līdz gamma starojumam.

Ir vērts sīkāk apsvērt šāda veida savienojumus.

Elektrostatiskā saite

Abi dipoli ir savienoti elektriskie spēki telpā, kas ir Kulona likuma sekas. No elektromagnētiskajiem viļņiem dotais tips komunikācija izceļas ar spēju savienot dipolus, kad tie atrodas vienā līnijā. Palielinoties attālumiem, savienojuma stiprums samazinās, un tiek novērota arī spēcīga dažādu traucējumu ietekme.

induktīvā sakabe

Pamatojoties uz magnētiskiem izkliedētiem induktivitātes laukiem. Novērots starp objektiem, kuriem ir induktivitāte. Tā pielietojums ir diezgan ierobežots neliela darbības rādiusa darbības dēļ.

Pašreizējais savienojums

Izkliedējošās strāvas dēļ vadošā vidē var rasties noteikta mijiedarbība. Ja strāvas tiek izvadītas caur spailēm (kontaktu pāri), tad šīs pašas strāvas var noteikt ievērojamā attālumā no kontaktiem. To sauc par strāvas izplatīšanās efektu.

Tesla savienojums

Slavenais fiziķis Nikola Tesla izgudroja saziņu, izmantojot viļņus uz vadošas virsmas. Ja kādā plaknes vietā tiek traucēts lādiņnesēja blīvums, tad šie nesēji sāks kustēties, kas tiecas atjaunot līdzsvaru. Tā kā nesējiem ir inerciāls raksturs, atveseļošanai ir viļņveida raksturs.

Elektromagnētiskais savienojums

Elektromagnētisko viļņu starojums izceļas ar milzīgu liela attāluma darbību, jo to amplitūda ir apgriezti proporcionāla attālumam līdz avotam. Tieši šī bezvadu sakaru metode tiek izmantota visplašāk. Bet kas ir elektromagnētiskie viļņi? Vispirms jums ir jāveic īsa atkāpe to atklāšanas vēsturē.

Kā "parādījās" elektromagnētiskie viļņi?

Viss sākās 1829. gadā, kad amerikāņu fiziķis Henrijs atklāja traucējumus elektriskās izlādes eksperimentos ar Leidenas burciņām. 1832. gadā fiziķis Faradejs ierosināja tāda procesa esamību kā elektromagnētiskie viļņi. Maksvels radīja savus slavenos elektromagnētisma vienādojumus 1865. gadā. Deviņpadsmitā gadsimta beigās bija daudzi veiksmīgi mēģinājumi izveidot bezvadu sakarus, izmantojot elektrostatiskos un elektromagnētiskā indukcija. Slavenais izgudrotājs Edisons nāca klajā ar sistēmu, kas ļāva pasažieriem dzelzceļš nosūtīt un saņemt telegrammas, kamēr vilciens kustas. 1888. gadā G. Hercs nepārprotami pierādīja, ka elektromagnētiskie viļņi parādās, izmantojot ierīci, ko sauc par vibratoru. Hercs veica eksperimentu par elektromagnētiskā signāla pārraidi attālumā. 1890. gadā franču inženieris un fiziķis Brenlijs izgudroja ierīci elektromagnētiskā starojuma reģistrēšanai. Pēc tam šo ierīci sauca par "radio vadītāju" (koherers). 1891.-1893.gadā Nikola Tesla aprakstīja pamatprincipus signālu pārraidīšanai lielos attālumos un patentēja masta antenu, kas bija elektromagnētisko viļņu avots. Turpmākie nopelni viļņu izpētē un to ražošanas un pielietošanas tehniskajā īstenošanā pieder tādiem slaveniem fiziķiem un izgudrotājiem kā Popovs, Markoni, de Mors, Lodža, Mirheds un daudziem citiem.

Jēdziens "elektromagnētiskais vilnis"

Elektromagnētiskais vilnis ir parādība, kas izplatās telpā ar noteiktu ierobežotu ātrumu un ir mainīgs elektriskais un magnētiskais lauks. Tā kā magnētiskie un elektriskie lauki ir nesaraujami saistīti viens ar otru, tie veido elektromagnētisko lauku. Var arī teikt, ka elektromagnētiskais vilnis ir lauka perturbācija, un tā izplatīšanās laikā enerģija, kas ir magnētiskajam laukam, tiek pārveidota elektriskā lauka enerģijā un otrādi, saskaņā ar Maksvela elektrodinamiku. Ārēji tas ir līdzīgs jebkura cita viļņa izplatībai jebkurā citā vidē, taču pastāv arī būtiskas atšķirības.

Kāda ir atšķirība starp elektromagnētiskajiem viļņiem un citiem?

Elektromagnētisko viļņu enerģija izplatās diezgan nesaprotamā vidē. Lai salīdzinātu šos viļņus un citus, ir jāsaprot, kāda ir izplatīšanās vide jautājumā. Tiek pieņemts, ka intraatomiskā telpa ir piepildīta ar elektrisko ēteri - noteiktu vidi, kas ir absolūts dielektrisks. Visi viļņi izplatīšanās laikā parāda kinētiskās enerģijas pāreju potenciālajā enerģijā un otrādi. Tajā pašā laikā šīs enerģijas ir nobīdījušas maksimumu laikā un telpā viena pret otru par vienu ceturtdaļu pilns periods viļņi. Šajā gadījumā vidējā viļņa enerģija, kas ir potenciāla un summa kinētiskā enerģija ir konstante. Bet ar elektromagnētiskajiem viļņiem situācija ir atšķirīga. Gan magnētiskā, gan elektriskā lauka enerģija sasniedz maksimālo vērtību vienlaicīgi.

Kā rodas elektromagnētiskais vilnis?

Elektromagnētiskā viļņa viela ir elektriskais lauks (ēteris). Kustīgais lauks ir strukturēts un sastāv no tā kustības enerģijas un paša lauka elektriskās enerģijas. Tāpēc potenciālā enerģija viļņi, kas saistīti ar kinētisko un fāzi. Elektromagnētiskā viļņa būtība ir periodisks elektriskais lauks, kas atrodas stāvoklī kustība uz priekšu telpā un pārvietojoties ar gaismas ātrums.

Nobīdes strāvas

Ir vēl viens veids, kā izskaidrot, kas ir elektromagnētiskie viļņi. Tiek pieņemts, ka neviendabīgu elektrisko lauku kustības laikā ēterī rodas nobīdes strāvas. Tie rodas, protams, tikai stacionāram ārējam novērotājam. Brīdī, kad tāds parametrs kā elektriskā lauka stiprums sasniegs maksimumu, pārvietošanās strāva noteiktā telpas punktā apstāsies. Attiecīgi ar minimālu spriegumu tiek iegūts apgrieztais attēls. Šī pieeja precizē viļņu raksturu elektromagnētiskā radiācija, jo elektriskā lauka enerģija tiek nobīdīta par vienu ceturtdaļu no perioda attiecībā pret nobīdes strāvām. Tad mēs varam teikt, ka elektriskais traucējums, pareizāk sakot, traucējuma enerģija tiek pārveidota par nobīdes strāvas enerģiju un otrādi un izplatās viļņveidīgi dielektriskā vidē.