Czym jest fala elektromagnetyczna - Hipermarket Wiedzy. Fale elektromagnetyczne - właściwości i charakterystyka

Wiele wzorów procesy falowe mają charakter uniwersalny i są równie ważne dla fal o różnym charakterze: fale mechaniczne w elastycznym ośrodku, fale na powierzchni wody, w naciągniętym sznurku itp. Nie są wyjątkiem i fale elektromagnetyczne, reprezentujący proces propagacji oscylacji pole elektromagnetyczne. Jednak w przeciwieństwie do innych rodzajów fal, które rozchodzą się w jakimś materialnym ośrodku, fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się w próżni: do rozchodzenia się pól elektrycznych i magnetycznych nie jest wymagane żadne materialne medium. Jednak fale elektromagnetyczne mogą istnieć nie tylko w próżni, ale także w materii.

Przewidywanie fal elektromagnetycznych. Istnienie fal elektromagnetycznych teoretycznie przewidział Maxwell w wyniku analizy zaproponowanego przez siebie układu równań opisujących pole elektromagnetyczne. Maxwell wykazał, że pole elektromagnetyczne w próżni może istnieć nawet przy braku źródeł – ładunków i prądów. Pole bez źródeł ma postać fal rozchodzących się ze skończoną prędkością cm/s, w której wektory pola elektrycznego i magnetycznego w każdym momencie czasu w każdym punkcie przestrzeni są prostopadłe do siebie i prostopadłe do kierunku fali propagacja.

Eksperymentalnie fale elektromagnetyczne zostały odkryte i zbadane przez Hertza zaledwie 10 lat po śmierci Maxwella.

otwarty wibrator. Aby zrozumieć, w jaki sposób można eksperymentalnie uzyskać fale elektromagnetyczne, rozważ „otwarty” obwód oscylacyjny, w którym płytki kondensatora są rozsuwane (ryc. 176), a zatem pole elektryczne zajmuje dużą powierzchnię. Wraz ze wzrostem odległości między płytami zmniejsza się pojemność kondensatora C i zgodnie ze wzorem Thomsona wzrasta częstotliwość drgań naturalnych. Jeśli zamienimy również cewkę indukcyjną na kawałek drutu, to indukcyjność zmniejszy się, a częstotliwość własna jeszcze bardziej wzrośnie. W tym przypadku nie tylko pole elektryczne, ale także pole magnetyczne, które wcześniej było zamknięte wewnątrz cewki, zajmie teraz duży obszar przestrzeni pokrywający ten przewód.

Wzrost częstotliwości drgań w obwodzie, a także wzrost jego wymiary liniowe, prowadzi do tego, że okres własny

oscylacje stają się porównywalne z czasem propagacji pola elektromagnetycznego w całym obwodzie. Oznacza to, że procesów naturalnych oscylacji elektromagnetycznych w takim obwodzie otwartym nie można już uważać za quasi-stacjonarne.

Ryż. 176. Przejście z obwodu oscylacyjnego do otwartego wibratora

Natężenie prądu w różnych jego miejscach w tym samym czasie jest różne: na końcach obwodu zawsze wynosi zero, a w środku (tam, gdzie była cewka) oscyluje z maksymalną amplitudą.

W przypadku granicznym, gdy obwód oscylacyjny po prostu zamienił się w prosty odcinek drutu, rozkład prądu wzdłuż obwodu w pewnym momencie pokazano na ryc. 177a. W momencie, gdy natężenie prądu w takim wibratorze jest maksymalne, pokrywające go pole magnetyczne również osiąga maksimum, a w pobliżu wibratora nie ma pola elektrycznego. Po jednej czwartej okresu zanika prąd, a wraz z nim pole magnetyczne w pobliżu wibratora; ładunki elektryczne są skoncentrowane w pobliżu końców wibratora, a ich rozkład ma postać pokazaną na ryc. 1776. Pole elektryczne w pobliżu wibratora w tym momencie jest maksymalne.

Ryż. 177. Rozkład wzdłuż wibratora otwartego o aktualnej sile w momencie, gdy jest ona maksymalna (a), a rozkład ładunków po ćwiartce okresu (b)

Te drgania ładunku i prądu, tj. drgania elektromagnetyczne w otwartym wibratorze, są całkiem analogiczne do drgań mechanicznych, które mogą wystąpić w sprężynie oscylatora, jeśli usunie się przymocowany do niej masywny korpus. W tym przypadku konieczne jest uwzględnienie masy poszczególnych części sprężyny i potraktowanie jej jako układu rozproszonego, w którym każdy element ma zarówno właściwości sprężyste, jak i bezwładnościowe. W przypadku otwartego wibratora elektromagnetycznego każdy z jego elementów ma jednocześnie zarówno indukcyjność, jak i pojemność.

Pola elektryczne i magnetyczne wibratora. Niequasi-stacjonarny charakter oscylacji w otwartym wibratorze powoduje, że pola wytworzone przez jego poszczególne sekcje w pewnej odległości od wibratora nie kompensują się już nawzajem, jak ma to miejsce w przypadku „zamkniętego” obwodu oscylacyjnego z parametry skupione, gdzie drgania są quasi-stacjonarne, pole elektryczne jest w całości skoncentrowane wewnątrz kondensatora, a magnetyczne - wewnątrz cewki. Ze względu na takie przestrzenne oddzielenie pól elektrycznych i magnetycznych nie są one ze sobą bezpośrednio powiązane: ich wzajemna transformacja wynika tylko z transferu prądu - ładunku wzdłuż obwodu.

W otwartym wibratorze, gdzie pola elektryczne i magnetyczne nakładają się w przestrzeni, zachodzi ich wzajemne oddziaływanie: zmieniające się pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne, a zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. Dzięki temu możliwe jest istnienie takich „samopodtrzymujących się” pól rozchodzących się w wolnej przestrzeni w dużej odległości od wibratora. To fale elektromagnetyczne emitowane przez wibrator.

Eksperymenty Hertza. Wibrator, za pomocą którego G. Hertz w 1888 roku jako pierwszy eksperymentalnie uzyskał fale elektromagnetyczne, był prostym przewodnikiem z małą szczeliną powietrzną pośrodku (ryc. 178a). Dzięki tej szczelinie dwie połówki wibratora mogły otrzymać znaczne ładunki. Gdy różnica potencjałów osiągnęła określoną wartość graniczną, nastąpiła awaria w szczelinie powietrznej (przeskok iskry) i ładunki elektryczne mogły przepływać przez zjonizowane powietrze z jednej połowy wibratora do drugiej. W obwodzie otwartym powstały oscylacje elektromagnetyczne. Aby szybko przemienne prądy występowały tylko w wibratorze, a nie blisko źródła zasilania, między wibratorem a źródłem podłączono dławiki (patrz rys. 178a).

Ryż. 178. Wibrator Hertza

Drgania o wysokiej częstotliwości w wibratorze istnieją tak długo, jak iskra zamyka szczelinę między jej połówkami. Tłumienie takich drgań w wibratorze następuje głównie nie ze względu na straty Joule'a na rezystancji (jak w zamkniętym obwodzie oscylacyjnym), ale na skutek promieniowania fal elektromagnetycznych.

Aby wykryć fale elektromagnetyczne, Hertz użył drugiego (odbierającego) wibratora (ryc. 1786). Pod działaniem zmiennego pola elektrycznego fali pochodzącej z emitera elektrony w wibratorze odbierającym wykonują wymuszone oscylacje, tj. w wibratorze wzbudzany jest szybko przemienny prąd. Jeśli wymiary wibratora odbiorczego są takie same jak wibratora promieniującego, to częstotliwości naturalnych drgań elektromagnetycznych w nich są zbieżne i wymuszone oscylacje w wibratorze odbiorczym osiągają zauważalną wartość z powodu rezonansu. Drgania te zostały wykryte przez Hertza przez przejście iskry w mikroskopijnej szczelinie w środku wibratora odbiorczego lub przez żarzenie miniaturowej rurki gazowo-wyładowczej G, połączonej między połówkami wibratora.

Hertz nie tylko eksperymentalnie udowodnił istnienie fal elektromagnetycznych, ale po raz pierwszy zaczął badać ich właściwości - absorpcję i załamanie w różnych mediach, odbicie od powierzchnie metalowe itd. Eksperymentalnie można było również zmierzyć prędkość fal elektromagnetycznych, która okazała się równa prędkości światła.

Zbieżność prędkości fal elektromagnetycznych z prędkością światła zmierzoną na długo przed ich odkryciem posłużyła jako punkt wyjścia do identyfikacji światła z falami elektromagnetycznymi i stworzenia elektromagnetycznej teorii światła.

Fala elektromagnetyczna istnieje bez źródeł pól w tym sensie, że po jej emisji pole elektromagnetyczne fali nie jest związane ze źródłem. W ten sposób fala elektromagnetyczna różni się od statycznych pól elektrycznych i magnetycznych, które nie istnieją w oderwaniu od źródła.

Mechanizm promieniowania fal elektromagnetycznych. Promieniowanie fal elektromagnetycznych następuje wraz z przyspieszonym ruchem ładunków elektrycznych. Można zrozumieć, w jaki sposób poprzeczne pole elektryczne fali powstaje z promieniowego pola kulombowskiego ładunku punktowego, stosując następujące proste rozumowanie zaproponowane przez J. Thomsona.

Ryż. 179. Pole nieruchomego ładunku punktowego

Rozważmy pole elektryczne wytworzone przez ładunek punktowy.Jeśli ładunek jest w spoczynku, to jego pole elektrostatyczne jest reprezentowane przez promieniowe linie siły wychodzące z ładunku (ryc. 179). Niech w danym momencie ładunek pod działaniem jakiejś siły zewnętrznej zaczyna poruszać się z przyspieszeniem a, a po pewnym czasie działanie tej siły ustaje, tak aby ładunek poruszał się dalej jednostajnie z prędkością. pokazano na ryc. 180.

Wyobraź sobie obraz linii pola elektrycznego wytworzonego przez ten ładunek po długim czasie, ponieważ pole elektryczne rozchodzi się z prędkością światła c,

wówczas zmiana pola elektrycznego spowodowana ruchem ładunku nie mogła dotrzeć do punktów leżących poza sferą promienia: poza tą sferą pole jest takie samo jak przy ładunku stacjonarnym (ryc. 181). Siła tego pola (w gaussowskim układzie miar) jest równa

Cała zmiana pola elektrycznego spowodowana przyspieszonym ruchem ładunku w czasie w danej chwili znajduje się wewnątrz cienkiej kulistej warstwy o grubości, której promień zewnętrzny jest równy, a wewnętrzny - pokazano to na ryc. 181. Wewnątrz kuli o promieniu pole elektryczne jest polem jednostajnie poruszającego się ładunku.

Ryż. 180. Wykres stawki opłat

Ryż. 181. Linie natężenia pola elektrycznego ładunku poruszającego się zgodnie z wykresem na ryc. 180

Ryż. 182. Do wyprowadzenia wzoru na natężenie pola promieniowania przyspieszonego poruszającego się ładunku

Jeżeli prędkość ładowania jest znacznie mniejsza niż prędkość światła c, to pole to w chwili czasu pokrywa się z polem stacjonarnego ładunku punktowego znajdującego się w pewnej odległości od początku (ryc. 181): pole ładunku powoli poruszający się ze stałą prędkością porusza się wraz z nim, a odległość przebyta przez ładunek w czasie , jak widać na ryc. 180, można uznać za równe, jeśli r»t.

Obraz pola elektrycznego wewnątrz warstwy kulistej jest łatwy do znalezienia, biorąc pod uwagę ciągłość linii sił. Aby to zrobić, musisz połączyć odpowiednie promieniowe linie siły (ryc. 181). Załamanie w liniach siły spowodowane przyspieszonym ruchem ładunku „ucieka” od ładunku z prędkością c. Załamanie linii sił między

sfer, jest to interesujące nas pole promieniowania, rozchodzące się z prędkością c.

Aby znaleźć pole promieniowania, rozważ jedną z linii natężenia, która tworzy pewien kąt z kierunkiem ruchu ładunku (ryc. 182). Rozłóżmy wektor natężenia pola elektrycznego w załamaniu E na dwie składowe: promieniową i poprzeczną. pole elektrostatyczne, stworzony przez opłatę z dala od niego:

Składowa poprzeczna to siła pola elektrycznego w fali emitowanej przez ładunek podczas ruchu przyspieszonego. Ponieważ fala ta biegnie wzdłuż promienia, wektor jest prostopadły do kierunku propagacji fali. Z ryc. 182 pokazuje, że

Zastępując tutaj od (2), znajdujemy

Biorąc pod uwagę, że stosunek jest przyspieszeniem a, z jakim przemieszczał się ładunek w przedziale czasu od 0 do, przepisujemy to wyrażenie w postaci

Przede wszystkim zwracamy uwagę na to, że natężenie pola elektrycznego fali maleje odwrotnie wraz z odległością od środka, w przeciwieństwie do natężenia pola elektrostatycznego, które jest proporcjonalne do takiej zależności od odległości, i należy się tego spodziewać, jeśli weźmiemy pod uwagę prawo zachowania energii. Ponieważ nie ma absorpcji energii, gdy fala rozchodzi się w pustce, ilość energii, która przeszła przez kulę o dowolnym promieniu, jest taka sama. Ponieważ powierzchnia kuli jest proporcjonalna do kwadratu jej promienia, strumień energii przez jednostkę jej powierzchni musi być odwrotnie proporcjonalny do kwadratu promienia. Biorąc pod uwagę, że gęstość energii pola elektrycznego fali jest równa, wnioskujemy, że

Ponadto zauważamy, że natężenie pola fali we wzorze (4) w chwili czasu zależy od przyspieszenia ładunku i w chwili wypromieniowana fala dociera po pewnym czasie do punktu znajdującego się w pewnej odległości równy

Promieniowanie ładunku oscylacyjnego. Załóżmy teraz, że ładunek porusza się cały czas po linii prostej z pewnym zmiennym przyspieszeniem w pobliżu początku, na przykład wykonuje oscylacje harmoniczne. Dopóki tak jest, będzie stale emitować fale elektromagnetyczne. Natężenie pola elektrycznego fali w punkcie położonym w pewnej odległości od początku współrzędnych jest nadal określane wzorem (4), a pole w chwili czasu zależy od przyspieszenia ładunku a we wcześniejszym momencie

Niech ruch ładunku będzie oscylacją harmoniczną w pobliżu początku o określonej amplitudzie A i częstotliwości w:

Przyspieszenie ładunku podczas takiego ruchu wyraża wyrażenie

Podstawiając przyspieszenie ładunku do wzoru (5), otrzymujemy

Zmiana pola elektrycznego w dowolnym miejscu podczas przejścia takiej fali jest oscylacją harmoniczną o częstotliwości , tj. oscylujący ładunek promieniuje falą monochromatyczną. Oczywiście wzór (8) obowiązuje na odległościach większych niż amplituda oscylacji ładunku A.

Energia fali elektromagnetycznej. Gęstość energii pola elektrycznego fali monochromatycznej emitowanej przez ładunek można obliczyć za pomocą wzoru (8):

Gęstość energii jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy oscylacji ładunku i czwartej potęgi częstotliwości.

Każda fluktuacja wiąże się z okresowymi przejściami energii z jednej formy w drugą i odwrotnie. Np. oscylacjom mechanicznego oscylatora towarzyszą wzajemne przemiany energii kinetycznej i potencjalnej odkształcenia sprężystego. Badając drgania elektromagnetyczne w obwodzie, zauważyliśmy, że analogiem energii potencjalnej oscylatora mechanicznego jest energia pola elektrycznego w kondensatorze, a analogiem energii kinetycznej jest energia pola magnetycznego cewki. Ta analogia jest słuszna nie tylko dla zlokalizowanych oscylacji, ale także dla procesów falowych.

W fali monochromatycznej poruszającej się w ośrodku sprężystym, gęstości energii kinetycznej i potencjalnej w każdym punkcie wykonują drgania harmoniczne z podwojoną częstotliwością i w taki sposób, że ich wartości pokrywają się w dowolnym momencie. Tak samo jest z wędrującą monochromatyczną falą elektromagnetyczną: gęstości energii pól elektrycznych i magnetycznych, tworzących drgania harmoniczne z częstotliwością, są sobie równe w każdym punkcie o każdej porze.

Gęstość energii pola magnetycznego wyraża się w postaci indukcji B w następujący sposób:

Porównując gęstości energii pól elektrycznych i magnetycznych w wędrującej fali elektromagnetycznej, jesteśmy przekonani, że indukcja pola magnetycznego w takiej fali zależy od współrzędnych i czasu tak samo jak natężenie pola elektrycznego. Innymi słowy, w fali biegnącej indukcja pola magnetycznego i natężenie pola elektrycznego są sobie równe w dowolnym momencie i czasie (w gaussowskim układzie miar):

Przepływ energii fali elektromagnetycznej. Całkowita gęstość energii pola elektromagnetycznego w fali biegnącej jest dwukrotnie większa od gęstości energii pola elektrycznego (9). Gęstość strumienia energii y niesionego przez falę jest równa iloczynowi gęstości energii i prędkości propagacji fali. Korzystając ze wzoru (9) można zauważyć, że strumień energii przez dowolną powierzchnię oscyluje z częstotliwością.Aby obliczyć średnią wartość gęstości strumienia energii, konieczne jest uśrednienie wyrażenia (9) w czasie. Ponieważ średnia wartość wynosi 1/2, otrzymujemy

Ryż. 183. Rozkład kątowy energii” emitowanej przez oscylujący ładunek

Gęstość strumienia energii w fali zależy od kierunku: w kierunku, w którym występują oscylacje ładunku, energia w ogóle nie jest emitowana Największa liczba energia jest emitowana w płaszczyźnie prostopadłej do tego kierunku.Kątowy rozkład energii emitowanej przez oscylujący ładunek pokazano na rys. 183. Ładunek oscyluje wzdłuż osi

kierunek energii, tj. Schemat pokazuje linię łączącą końce tych segmentów.

Rozkład energii w kierunkach w przestrzeni charakteryzuje się powierzchnią, którą uzyskuje się obracając wykres wokół osi

Polaryzacja fal elektromagnetycznych. Fala generowana przez wibrator podczas drgań harmonicznych nazywana jest monochromatyczną. Fala monochromatyczna charakteryzuje się określoną częstotliwością co i długością fali X. Długość fali i częstotliwość są powiązane szybkością propagacji fali c:

Fala elektromagnetyczna w próżni jest poprzeczna: wektor natężenia pola elektromagnetycznego fali, jak widać z powyższego rozumowania, jest prostopadły do kierunku propagacji fali. Przeprowadźmy przez punkt obserwacyjny Р na ryc. 184 kula wyśrodkowana na początku, wokół której promieniujący ładunek oscyluje wzdłuż osi. Narysuj na nim paralele i południki. Wtedy wektor E pola falowego będzie skierowany stycznie do południka, a wektor B jest prostopadły do wektora E i skierowany stycznie do równoleżnika.

Aby to zweryfikować, rozważmy bardziej szczegółowo zależność między polem elektrycznym i magnetycznym w fali biegnącej. Pola te po emisji fali nie są już związane ze źródłem. Gdy zmienia się pole elektryczne fali, powstaje pole magnetyczne, którego linie siły, jak widzieliśmy w badaniu prądu przesunięcia, są prostopadłe do linii siły pola elektrycznego. To zmienne pole magnetyczne, zmieniające się, z kolei prowadzi do pojawienia się wirowego pola elektrycznego, które jest prostopadłe do pola magnetycznego, które je wytworzyło. W ten sposób podczas propagacji fali pola elektryczne i magnetyczne wspierają się nawzajem, pozostając cały czas wzajemnie prostopadłe. Ponieważ w fali biegnącej zmiana pola elektrycznego i magnetycznego zachodzi w fazie ze sobą, chwilowy „portret” fali (wektory E i B w różne punkty linie wzdłuż kierunku propagacji) ma postać pokazaną na ryc. 185. Taką falę nazywamy spolaryzowaną liniowo. Oscylujący ładunek harmoniczny promieniuje liniowo spolaryzowanymi falami we wszystkich kierunkach. W liniowo spolaryzowanej fali biegnącej w dowolnym kierunku wektor E jest zawsze w tej samej płaszczyźnie.

Ponieważ ładunki w liniowym wibratorze elektromagnetycznym wykonują właśnie taki ruch oscylacyjny, fala elektromagnetyczna emitowana przez wibrator jest spolaryzowana liniowo. Łatwo to zweryfikować eksperymentalnie, zmieniając orientację wibratora odbiorczego względem wibratora nadawczego.

Ryż. 185. Pola elektryczne i magnetyczne w wędrującej fali liniowo spolaryzowanej

Sygnał jest największy, gdy wibrator odbierający jest równoległy do wibratora emitującego (patrz rys. 178). Jeśli wibrator odbierający zostanie obrócony prostopadle do wibratora emitującego, sygnał zanika. Drgania elektryczne w wibratorze odbierającym mogą pojawić się tylko ze względu na składową pola elektrycznego fali skierowanej wzdłuż wibratora. Dlatego taki eksperyment wskazuje, że pole elektryczne w fali jest równoległe do promieniującego wibratora.

Możliwe są również inne rodzaje polaryzacji poprzecznych fal elektromagnetycznych. Jeśli na przykład wektor E w pewnym punkcie podczas przejścia fali równomiernie obraca się wokół kierunku propagacji, pozostając niezmienioną wartością bezwzględną, wówczas falę nazywamy spolaryzowaną kołowo lub spolaryzowaną kołowo. Natychmiastowy „portret” pola elektrycznego takiej fali elektromagnetycznej pokazano na ryc. 186.

Ryż. 186. Pole elektryczne w wędrującej kołowo spolaryzowanej fali

Falę spolaryzowaną kołowo można uzyskać przez dodanie dwóch fal spolaryzowanych liniowo o tej samej częstotliwości i amplitudzie rozchodzących się w tym samym kierunku, przy czym wektory pola elektrycznego są wzajemnie prostopadłe. W każdej z fal wektor pola elektrycznego w każdym punkcie wykonuje oscylację harmoniczną. Aby suma takich prostopadłych do siebie oscylacji spowodowała obrót wektora wynikowego, konieczne jest przesunięcie fazowe, czyli dodawane fale spolaryzowane liniowo muszą być przesunięte względem siebie o jedną czwartą długości fali.

Pęd fali i ciśnienie światła. Wraz z energią fala elektromagnetyczna ma również pęd. Jeśli fala zostanie pochłonięta, jej pęd jest przenoszony na obiekt, który ją pochłania. Z tego wynika, że podczas absorpcji fala elektromagnetyczna wywiera nacisk na barierę. Pochodzenie ciśnienia fali i wartość tego ciśnienia można wyjaśnić w następujący sposób.

Skierowane w linii prostej. Wtedy moc pochłonięta przez ładunek P jest równa

Zakładamy, że cała energia fali padającej jest pochłaniana przez barierę. Ponieważ fala dostarcza energię na jednostkę powierzchni powierzchni bariery w jednostce czasu, ciśnienie wywierane przez falę przy normalnym padaniu jest równe gęstości energii fali Siła nacisku pochłoniętej fali elektromagnetycznej przekazuje barierę na jednostkę czas impuls równy, zgodnie ze wzorem (15), pochłoniętej energii podzielonej przez prędkość światła . A to oznacza, że pochłonięta fala elektromagnetyczna miała pęd równy energii podzielonej przez prędkość światła.

Po raz pierwszy ciśnienie fal elektromagnetycznych zostało eksperymentalnie odkryte przez PN Lebiediewa w 1900 roku w niezwykle subtelnych eksperymentach.

Czym różnią się quasi-stacjonarne oscylacje elektromagnetyczne w zamkniętym obwodzie oscylacyjnym od oscylacji o wysokiej częstotliwości w otwartym wibratorze? Podaj mi mechaniczną analogię.

Wyjaśnij, dlaczego fale elektromagnetyczne nie promieniują w obwodzie zamkniętym podczas elektromagnetycznych oscylacji quasi-stacjonarnych. Dlaczego promieniowanie występuje, gdy wibracje elektromagnetyczne w otwartym wibratorze?

Opisz i wyjaśnij doświadczenia Hertza dotyczące wzbudzania i wykrywania fal elektromagnetycznych. Jaką rolę w wibratorach nadawczych i odbiorczych odgrywa iskiernik?

Wyjaśnij, jak przy przyspieszonym ruchu ładunku elektrycznego podłużne pole elektrostatyczne zamienia się w poprzeczne pole elektryczne emitowanej przez nie fali elektromagnetycznej.

Na podstawie rozważań energetycznych wykaż, że natężenie pola elektrycznego fali kulistej emitowanej przez wibrator zmniejsza się o 1 1r (w przeciwieństwie do pola elektrostatycznego).

Czym jest monochromatyczna fala elektromagnetyczna? Jaka jest długość fali? Jak to się ma do częstotliwości? Jaka jest poprzeczna właściwość fal elektromagnetycznych?

Jaka jest polaryzacja fali elektromagnetycznej? Jakie znasz rodzaje polaryzacji?

Jakie możesz podać argumenty, aby uzasadnić fakt, że fala elektromagnetyczna ma pęd?

Wyjaśnij rolę siły Lorentza w powstawaniu siły nacisku fali elektromagnetycznej na barierę.

Postęp technologiczny ma również wadę. Globalne stosowanie różnych urządzeń zasilanych energią elektryczną spowodowało zanieczyszczenie, któremu nadano nazwę - szum elektromagnetyczny. W tym artykule rozważymy naturę tego zjawiska, stopień jego wpływu na organizm człowieka oraz środki ochronne.

Co to jest i źródła promieniowania

Promieniowanie elektromagnetyczne to fale elektromagnetyczne, które powstają, gdy zakłócone jest pole magnetyczne lub elektryczne. Współczesna fizyka interpretuje ten proces w ramach teorii dualizmu korpuskularno-falowego. Oznacza to, że minimalna część promieniowania elektromagnetycznego jest kwantem, ale jednocześnie ma właściwości fal częstotliwościowych, które określają jego główne cechy.

Widmo częstotliwości promieniowania pola elektromagnetycznego pozwala podzielić je na następujące typy:

częstotliwość radiowa (w tym fale radiowe);
termiczna (podczerwień);
optyczny (czyli widoczny dla oka);
promieniowanie w widmie ultrafioletowym i twarde (zjonizowane).

Szczegółową ilustrację zakresu widmowego (skala emisji elektromagnetycznej) można zobaczyć na poniższym rysunku.

Charakter źródeł promieniowania

W zależności od pochodzenia źródła promieniowania fal elektromagnetycznych w praktyce światowej dzieli się zwykle na dwa typy, a mianowicie:

zaburzenia pola elektromagnetycznego sztucznego pochodzenia;
promieniowanie ze źródeł naturalnych.

Promieniowanie pochodzące z pola magnetycznego otaczającego Ziemię, procesy elektryczne w atmosferze naszej planety, fuzja jądrowa w głębinach Słońca - wszystko to ma naturalne pochodzenie.

Jeśli chodzi o źródła sztuczne, to są efektem ubocznym, spowodowanym działaniem różnych mechanizmów i urządzeń elektrycznych.

Emanujące z nich promieniowanie może być nisko- i wysokopoziomowe. Stopień natężenia promieniowania pola elektromagnetycznego całkowicie zależy od poziomów mocy źródeł.

Przykłady źródeł o wysokim EMP obejmują:

Linie energetyczne są zwykle pod wysokim napięciem;
wszystkie rodzaje transportu elektrycznego wraz z infrastrukturą towarzyszącą;
wieże telewizyjne i radiowe oraz stacje łączności ruchomej i mobilnej;
instalacje do przetwarzania napięcia sieci elektrycznej (w szczególności fale pochodzące z transformatora lub podstacji rozdzielczej);
windy i inne rodzaje urządzeń dźwigowych, w których używana jest elektrownia elektromechaniczna.

Typowe źródła emitujące promieniowanie o niskim poziomie to następujący sprzęt elektryczny:

prawie wszystkie urządzenia z wyświetlaczem CRT (np. terminal płatniczy lub komputer);
Różne rodzaje sprzęt AGD, począwszy od żelazek po systemy klimatyczne;
systemy inżynieryjne, które dostarczają energię elektryczną do różnych obiektów (nie chodzi tu tylko o kabel zasilający, ale o powiązane urządzenia, takie jak gniazdka i liczniki energii elektrycznej).

Osobno warto podkreślić specjalny sprzęt używany w medycynie, który emituje twarde promieniowanie (aparaty rentgenowskie, MRI itp.).

Wpływ na osobę

W trakcie licznych badań radiobiolodzy doszli do rozczarowującego wniosku - długotrwałe promieniowanie fal elektromagnetycznych może powodować „eksplozję” chorób, to znaczy powoduje szybki rozwój procesów patologicznych w ludzkim ciele. Co więcej, wiele z nich wprowadza naruszenia na poziomie genetycznym.

Wideo: Jak promieniowanie elektromagnetyczne wpływa na ludzi.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q

Wynika to z faktu, że pole elektromagnetyczne wysoki poziom aktywność biologiczna, która negatywnie wpływa na organizmy żywe. Współczynnik wpływu zależy od następujących składników:

charakter wytwarzanego promieniowania;
jak długo i z jaką intensywnością trwa.

Wpływ na zdrowie człowieka promieniowania, które ma charakter elektromagnetyczny, zależy bezpośrednio od lokalizacji. Może być zarówno lokalny, jak i ogólny. W tym ostatnim przypadku dochodzi do napromieniowania na dużą skalę, na przykład promieniowania wytwarzanego przez linie energetyczne.

W związku z tym lokalne napromieniowanie odnosi się do wpływu na określone części ciała. Fale elektromagnetyczne emanujące z elektronicznego zegarka lub telefonu komórkowego są żywym przykładem lokalnego uderzenia.

Oddzielnie należy zwrócić uwagę na termiczny wpływ promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości na żywą materię. Energia pola jest zamieniana na energia cieplna(ze względu na drgania molekuł) efekt ten opiera się na pracy przemysłowych emiterów mikrofal wykorzystywanych do ogrzewania różne substancje. W przeciwieństwie do korzyści w procesach przemysłowych, oddziaływanie termiczne na organizm ludzki może być szkodliwe. Z punktu widzenia radiobiologii nie zaleca się przebywania w pobliżu „ciepłych” urządzeń elektrycznych.

Trzeba wziąć pod uwagę, że w życiu codziennym jesteśmy regularnie narażeni na promieniowanie, a dzieje się tak nie tylko w pracy, ale także w domu czy podczas poruszania się po mieście. Z biegiem czasu efekt biologiczny kumuluje się i nasila. Wraz ze wzrostem szumu elektromagnetycznego liczba charakterystycznych chorób mózgu lub system nerwowy. Należy zauważyć, że radiobiologia jest dość młodą nauką, dlatego szkody wyrządzane żywym organizmom przez promieniowanie elektromagnetyczne nie zostały dokładnie zbadane.

Rysunek pokazuje poziom fal elektromagnetycznych wytwarzanych przez konwencjonalne urządzenia gospodarstwa domowego.

Zwróć uwagę, że poziom natężenia pola znacznie spada wraz z odległością. Oznacza to, że aby zmniejszyć jego działanie, wystarczy oddalić się od źródła na pewną odległość.

Wzór na obliczenie normy (racjonowania) promieniowania pola elektromagnetycznego jest wskazany w odpowiednich GOST i SanPiN.

Ochrona przed promieniowaniem

W produkcji ekrany pochłaniające (ochronne) są aktywnie wykorzystywane jako środek ochrony przed promieniowaniem. Niestety nie jest możliwe zabezpieczenie się przed promieniowaniem pola elektromagnetycznego za pomocą takiego sprzętu w domu, ponieważ nie jest on do tego przeznaczony.

aby zredukować wpływ promieniowania pola elektromagnetycznego do prawie zera, należy oddalić się od linii energetycznych, wież radiowych i telewizyjnych na odległość co najmniej 25 metrów (należy liczyć się z mocą źródła);
dla monitora CRT i telewizora odległość ta jest znacznie mniejsza - około 30 cm;
zegar elektroniczny nie powinien znajdować się blisko poduszki, optymalna odległość dla nich ponad 5 cm;
jeśli chodzi o radia i telefony komórkowe, nie zaleca się zbliżania ich na odległość mniejszą niż 2,5 centymetra.

Należy pamiętać, że wiele osób wie, jak niebezpieczne jest stanie w pobliżu linii wysokiego napięcia, ale jednocześnie większość ludzi nie przywiązuje wagi do zwykłych domowych urządzeń elektrycznych. Chociaż wystarczy postawić jednostkę systemową na podłodze lub ją odsunąć, a ochronisz siebie i swoich bliskich. Radzimy to zrobić, a następnie zmierzyć tło z komputera za pomocą detektora promieniowania pola elektromagnetycznego w celu wizualnej weryfikacji jego redukcji.

Ta rada dotyczy również umieszczenia lodówki, wielu umieszcza ją w pobliżu stołu kuchennego, praktyczne, ale niebezpieczne.

Żadna tabela nie będzie w stanie wskazać dokładnej bezpiecznej odległości od określonego sprzętu elektrycznego, ponieważ emisje mogą się różnić, zarówno w zależności od modelu urządzenia, jak i kraju produkcji. W tej chwili nie ma jednego standardu międzynarodowego, dlatego w różnych krajach normy mogą mieć znaczne różnice.

Możesz dokładnie określić natężenie promieniowania za pomocą specjalnego urządzenia - fluksometru. Zgodnie ze standardami przyjętymi w Rosji maksymalna dopuszczalna dawka nie powinna przekraczać 0,2 μT. Zalecamy wykonanie pomiaru w mieszkaniu za pomocą w/w urządzenia do pomiaru stopnia promieniowania pola elektromagnetycznego.

Fluksometr - urządzenie do pomiaru stopnia promieniowania pola elektromagnetycznego

Staraj się skrócić czas narażenia na promieniowanie, to znaczy nie przebywaj przez długi czas w pobliżu pracujących urządzeń elektrycznych. Na przykład podczas gotowania nie trzeba stale stać przy kuchence elektrycznej lub kuchence mikrofalowej. Jeśli chodzi o sprzęt elektryczny, widać, że ciepło nie zawsze oznacza bezpieczne.

Zawsze wyłączaj urządzenia elektryczne, gdy nie są używane. Ludzie często zostawiają to włączone różne urządzenia, nie biorąc pod uwagę, że w tym czasie emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne z elektrotechniki. Wyłącz laptopa, drukarkę lub inny sprzęt, nie musisz ponownie narażać się na promieniowanie, pamiętaj o swoim bezpieczeństwie.

jest to proces propagacji oddziaływania elektromagnetycznego w przestrzeni.
Fale elektromagnetyczne są opisane ogólnie dla zjawiska elektromagnetyczne Równania Maxwella. Nawet przy braku ładunków elektrycznych i prądów w przestrzeni równania Maxwella mają rozwiązania niezerowe. Rozwiązania te opisują fale elektromagnetyczne.
W przypadku braku ładunków i prądów równania Maxwella przyjmują następującą postać:

Stosując operację rot do pierwszych dwóch równań, można uzyskać oddzielne równania do wyznaczania natężenia pola elektrycznego i magnetycznego

Te równania mają typowy kształt równania falowe. Ich rozłączenia są superpozycją wyrażeń typu:

Gdzie - pewien wektor, który nazywa się wektorem falowym, ? - liczba zwana częstotliwością cykliczną, ? - faza. Wielkości są amplitudami składowych elektrycznych i magnetycznych fali elektromagnetycznej. Są one wzajemnie prostopadłe i równe w wartości bezwzględnej. Fizyczną interpretację każdej z wprowadzonych wielkości podano poniżej.
W próżni fala elektromagnetyczna rozchodzi się z prędkością zwaną prędkością światła. Prędkość światła jest podstawową stałą fizyczną, którą oznaczono łacińska litera c. Zgodnie z podstawowym postulatem teorii względności prędkość światła to maksymalna możliwa prędkość przekazywania informacji lub ruchu ciała. Prędkość ta wynosi 299 792 458 m/s.
Fala elektromagnetyczna charakteryzuje się częstotliwością. Rozróżnić częstotliwość linii? i cykliczna częstotliwość? = 2??. W zależności od częstotliwości fale elektromagnetyczne należą do jednego z zakresów widmowych.
Inną cechą fali elektromagnetycznej jest wektor falowy. Wektor falowy określa kierunek propagacji fali elektromagnetycznej oraz jej długość. Wartość bezwzględna wektora wiatru nazywana jest liczbą falową.
Długość fali elektromagnetycznej? = 2? / k, gdzie k jest liczbą falową.
Długość fali elektromagnetycznej jest powiązana z częstotliwością poprzez prawo dyspersji. W próżni to połączenie jest proste:

?? = c.

Ten stosunek jest często zapisywany jako

? = c k.

Fale elektromagnetyczne o tej samej częstotliwości i wektorze falowym mogą różnić się fazą.
W próżni wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego fali elektromagnetycznej są z konieczności prostopadłe do kierunku propagacji fali. Takie fale nazywane są falami poprzecznymi. Matematycznie opisują to równania i . Ponadto natężenia pola elektrycznego i magnetycznego są do siebie prostopadłe i zawsze są równe wartościom bezwzględnym w dowolnym punkcie przestrzeni: E = H. Jeśli wybierzesz układ współrzędnych tak, aby oś z pokrywała się z kierunkiem propagacji fali elektromagnetycznej istnieją dwie różne możliwości kierunków wektorów natężenia pola elektrycznego. Jeśli pole eklektyczne skierowane jest wzdłuż osi x, to pole magnetyczne będzie skierowane wzdłuż osi y i odwrotnie. Te dwie różne możliwości nie wykluczają się wzajemnie i odpowiadają dwóm różnym polaryzacjom. Zagadnienie to zostało szerzej omówione w artykule Polaryzacja fal.
Zakresy widmowe z wybranym światłem widzialnym W zależności od częstotliwości lub długości fali (wielkości te są ze sobą powiązane) fale elektromagnetyczne dzielą się na różne zakresy. Fale w różnych zakresach oddziałują z ciałami fizycznymi na różne sposoby.
Fale elektromagnetyczne o najniższej częstotliwości (lub najdłuższej długości fali) są określane jako zasięg radiowy. Pasmo radiowe służy do przesyłania sygnałów na odległość za pomocą radia, telewizji, telefony komórkowe. Radar działa w zasięgu radiowym. Zasięg radiowy dzieli się na metr, disemeter, centymetr, milimetr, w zależności od długości fali elektromagnetycznej.
Fale elektromagnetyczne prawdopodobnie należą do zakresu podczerwieni. W zakresie podczerwieni leży promieniowanie cieplne ciała. Rejestracja tej wibracji jest podstawą działania noktowizorów. Fale podczerwone są wykorzystywane do badania drgań termicznych w ciałach i pomagają określić strukturę atomową. ciała stałe, gazy i ciecze.
Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 400 nm do 800 nm należy do zakresu światła widzialnego. Światło widzialne ma różne kolory w zależności od częstotliwości i długości fali.
Nazywa się długości fal poniżej 400 nm ultrafioletowy. Ludzkie oko ich nie rozróżnia, chociaż ich właściwości nie odbiegają od właściwości fal w zakresie widzialnym. Wysoka częstotliwość, a co za tym idzie energia kwantów takiego światła prowadzi do bardziej destrukcyjnego oddziaływania fal ultrafioletowych na obiekty biologiczne. Powierzchnia ziemi jest chroniona przed Szkodliwe efekty fale ultrafioletowe przez warstwę ozonową. Dla dodatkowej ochrony natura obdarowała ludzi ciemną skórą. Jednakże promienie ultrafioletowe potrzebna człowiekowi do produkcji witaminy D. Dlatego ludzie w północne szerokości geograficzne, gdzie intensywność fal ultrafioletowych jest mniejsza, stracił ciemną barwę skóry.
Fale elektromagnetyczne o wyższej częstotliwości są prześwietlenie zakres. Nazywa się je tak, ponieważ zostały odkryte przez Roentgena, badającego promieniowanie, które powstaje podczas zwalniania elektronów. W literaturze zagranicznej takie fale nazywa się promienie rentgenowskie szanując życzenie Roentgena, aby promienie nie zwracały się do niego po imieniu. Fale rentgenowskie słabo oddziałują z materią, są silniej pochłaniane tam, gdzie gęstość jest większa. Fakt ten jest wykorzystywany w medycynie do fluorografii rentgenowskiej. Fale rentgenowskie są również wykorzystywane do analizy pierwiastkowej i badania struktury ciał krystalicznych.
mają najwyższą częstotliwość i najkrótszą długość ?-promienie. W rezultacie powstają te promienie reakcje jądrowe i reakcje między cząstkami elementarnymi. Promienie ? mają bardzo destrukcyjny wpływ na obiekty biologiczne. Są jednak wykorzystywane w fizyce do nauki różne cechy jądro atomowe.
Energia fali elektromagnetycznej jest określona przez sumę energii pól elektrycznych i magnetycznych. Gęstość energii w pewnym punkcie przestrzeni dana jest wzorem:

Uśredniona w czasie gęstość energii jest równa.

Gdzie E 0 = H 0 to amplituda fali.
Duże znaczenie ma gęstość strumienia energii fali elektromagnetycznej. W szczególności określa strumień świetlny w optyce. Gęstość strumienia energii fali elektromagnetycznej jest podawana przez wektor Umova-Poyntinga.

Propagacja fal elektromagnetycznych w ośrodku ma szereg cech w porównaniu z propagacją w próżni. Cechy te są związane z właściwościami ośrodka i generalnie zależą od częstotliwości fali elektromagnetycznej. Elektryczne i magnetyczne składniki fali powodują polaryzację i namagnesowanie ośrodka. Ta reakcja medium nie jest taka sama w przypadku niskich i wysokich częstotliwości. Przy niskiej częstotliwości fali elektromagnetycznej elektrony i jony substancji mają czas na reakcję na zmiany natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Odpowiedź ośrodka prześledzi fluktuacje czasowe w fale. Przy wysokiej częstotliwości elektrony i jony substancji nie mają czasu na przesunięcie w okresie oscylacji pól falowych, a zatem polaryzacja i namagnesowanie ośrodka są znacznie mniejsze.
Pole elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości nie wnika w metale, w których znajduje się wiele wolnych elektronów, które są w ten sposób przemieszczone, całkowicie wygaszają falę elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna zaczyna wnikać w metal z częstotliwością przekraczającą określoną częstotliwość, zwaną częstotliwością plazmy. Przy częstotliwościach niższych niż częstotliwość plazmy fala elektromagnetyczna może wnikać w warstwę powierzchniową metalu. Zjawisko to nazywa się efektem skóry.
W dielektrykach zmienia się prawo dyspersji fali elektromagnetycznej. Jeżeli fale elektromagnetyczne rozchodzą się ze stałą amplitudą w próżni, to w ośrodku zanikają na skutek absorpcji. W tym przypadku energia fali jest przekazywana elektronom lub jonom ośrodka. W sumie prawo dyspersji przy braku efektów magnetycznych przyjmuje postać

Gdzie liczba falowa k jest całkowitą wielkością zespoloną, której urojona część opisuje spadek amplitudy fali elektromagnetycznej, jest zależną od częstotliwości zespoloną przenikalnością medium.
W ośrodkach anizotropowych kierunek wektorów pól elektrycznych i magnetycznych niekoniecznie jest prostopadły do kierunku propagacji fali. Jednak kierunek wektorów indukcji elektrycznej i magnetycznej zachowuje tę właściwość.
W ośrodku, w określonych warunkach, może propagować się inny rodzaj fali elektromagnetycznej - podłużna fala elektromagnetyczna, dla której kierunek wektora natężenia pola elektrycznego pokrywa się z kierunkiem propagacji fali.
Na początku XX wieku, aby wyjaśnić widmo promieniowania ciała doskonale czarnego, Max Planck zasugerował, że fale elektromagnetyczne są emitowane przez kwanty o energii proporcjonalnej do częstotliwości. Kilka lat później Albert Einstein, wyjaśniając zjawisko efektu fotoelektrycznego, rozszerzył tę ideę, zakładając, że fale elektromagnetyczne są pochłaniane przez te same kwanty. W ten sposób stało się jasne, że fale elektromagnetyczne charakteryzują się pewnymi właściwościami, które wcześniej przypisywano cząsteczkom materialnym, ciałkom.
Ta idea nazywana jest dualizmem korpuskularno-falowym.

J. Maxwell w 1864 stworzył teorię pola elektromagnetycznego, zgodnie z którą pola elektryczne i magnetyczne istnieją jako powiązane ze sobą składniki jednej całości - pola elektromagnetycznego. W przestrzeni, w której występuje zmienne pole magnetyczne, wzbudzane jest zmienne pole elektryczne i na odwrót.

Pole elektromagnetyczne- jeden z rodzajów materii, charakteryzujący się obecnością pól elektrycznych i magnetycznych połączonych ciągłymi wzajemnymi przemianami.

Pole elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni w postaci fal elektromagnetycznych. Fluktuacje wektora napięcia mi i wektor indukcji magnetycznej B występują w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i prostopadłych do kierunku propagacji fali (wektor prędkości).

Fale te są emitowane przez oscylujące naładowane cząstki, które jednocześnie poruszają się w przewodniku z przyspieszeniem. Gdy ładunek porusza się w przewodniku, powstaje przemienne pole elektryczne, które generuje przemienne pole magnetyczne, a to z kolei powoduje pojawienie się przemiennego pola elektrycznego już w większej odległości od ładunku i tak dalej.

Pole elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni w czasie nazywa się fala elektromagnetyczna.

Fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się w próżni lub w dowolnej innej substancji. Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła w próżni c=3 10 8 m/s. W materii prędkość fali elektromagnetycznej jest mniejsza niż w próżni. Fala elektromagnetyczna przenosi energię.

Fala elektromagnetyczna ma następujące podstawowe właściwości: rozchodzi się w linii prostej, jest w stanie załamywać, odbijać, ma zjawiska dyfrakcji, interferencji, polaryzacji. Wszystkie te właściwości są fale świetlne zajmując odpowiedni zakres długości fal w skali promieniowania elektromagnetycznego.

Wiemy, że długość fal elektromagnetycznych jest bardzo różna. Patrząc na skalę fal elektromagnetycznych wskazującą długości fal i częstotliwości różnych promieniowania, wyróżniamy 7 zakresów: promieniowanie niskoczęstotliwościowe, emisja radiowa, promienie podczerwone, światło widzialne, promienie ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

fale o niskiej częstotliwości . Źródła promieniowania: prądy wysokiej częstotliwości, generator prąd przemienny, samochody elektryczne. Służą do topienia i hartowania metali, produkcji magnesów trwałych, w przemyśle elektrycznym.
fale radiowe występują w antenach stacji radiowych i telewizyjnych, telefonach komórkowych, radarach itp. Stosowane są w radiokomunikacji, telewizji i radarze.
fale podczerwone wszystkie rozgrzane ciała promieniują. Zastosowanie: topienie, cięcie, spawanie laserowe metali ogniotrwałych, fotografowanie we mgle i ciemności, suszenie drewna, owoców i jagód, noktowizory.
promieniowanie widzialne. Źródła - Słońce, lampa elektryczna i fluorescencyjna, łuk elektryczny, laser. Zastosowania: oświetlenie, efekt fotoelektryczny, holografia.
promieniowanie ultrafioletowe . Źródła: Słońce, przestrzeń kosmiczna, lampa wyładowcza (kwarcowa), laser. Może zabijać bakterie chorobotwórcze. Służy do utwardzania żywych organizmów.
promieniowanie rentgenowskie .

Fale elektromagnetyczne (których tabela zostanie podana poniżej) to zaburzenia pól magnetycznych i elektrycznych, które są rozłożone w przestrzeni. Jest ich kilka rodzajów. Fizyka zajmuje się badaniem tych perturbacji. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku tego, że przemienne pole elektryczne generuje pole magnetyczne, a to z kolei generuje pole elektryczne.

Historia badań

Pierwsze teorie, które można uznać za najstarsze wersje hipotez o falach elektromagnetycznych, sięgają co najmniej czasów Huygensa. W tym okresie założenia osiągnęły wyraźny rozwój ilościowy. Huygens w 1678 opublikował rodzaj „zarysu” teorii – „Traktat o świetle”. W 1690 opublikował także inne niezwykłe dzieło. Nakreślił jakościową teorię odbicia, załamania w formie, w jakiej jest ona nadal prezentowana w podręcznikach szkolnych („Fale elektromagnetyczne”, klasa 9).

Jednocześnie sformułowano zasadę Huygensa. Z jego pomocą stało się możliwe badanie ruchu czoła fali. Zasada ta została następnie rozwinięta w pracach Fresnela. Zasada Huygensa-Fresnela miała szczególne znaczenie w teorii dyfrakcji i falowej teorii światła.

W latach 1660-1670 Hooke i Newton wnieśli wielki eksperymentalny i teoretyczny wkład w badania. Kto odkrył fale elektromagnetyczne? Kto przeprowadził eksperymenty potwierdzające ich istnienie? Jakie są rodzaje fal elektromagnetycznych? Więcej o tym później.

Uzasadnienie Maxwella

Zanim zaczniemy mówić o tym, kto odkrył fale elektromagnetyczne, należy powiedzieć, że pierwszym naukowcem, który w ogóle przewidział ich istnienie, był Faraday. Postawił swoją hipotezę w 1832 roku. Teoria została później rozwinięta przez Maxwella. W 1865 ukończył tę pracę. W rezultacie Maxwell sformalizował teorię ściśle matematycznie, uzasadniając istnienie rozważanych zjawisk. Wyznaczył również prędkość propagacji fal elektromagnetycznych, która pokrywała się z stosowaną wówczas wartością prędkości światła. To z kolei pozwoliło mu uzasadnić hipotezę, że jednym z rozważanych rodzajów promieniowania jest światło.

Eksperymentalne odkrycie

Teoria Maxwella znalazła swoje potwierdzenie w eksperymentach Hertza w 1888 roku. W tym miejscu należy powiedzieć, że niemiecki fizyk przeprowadził swoje eksperymenty w celu obalenia teorii, mimo jej matematycznego uzasadnienia. Jednak dzięki swoim eksperymentom Hertz jako pierwszy odkrył fale elektromagnetyczne w praktyce. Ponadto podczas swoich eksperymentów naukowiec ujawnił właściwości i cechy promieniowania.

Hertz uzyskał drgania i fale elektromagnetyczne poprzez wzbudzenie serii impulsów o szybko zmieniającym się przepływie w wibratorze za pomocą źródła o zwiększonym napięciu. Strumienie o wysokiej częstotliwości można wykryć za pomocą pętli. W tym przypadku częstotliwość oscylacji będzie tym wyższa, im wyższa będzie jego pojemność i indukcyjność. Ale jednocześnie wysoka częstotliwość nie gwarantuje intensywnego przepływu. Do przeprowadzenia swoich eksperymentów Hertz użył dość prostego urządzenia, które dziś nazywa się „wibratorem Hertza”. Urządzenie jest obwodem oscylacyjnym typu otwartego.

Schemat doświadczenia Hertza

Rejestrację promieniowania przeprowadzono za pomocą wibratora odbiorczego. To urządzenie miało taką samą konstrukcję jak urządzenie promieniujące. Pod wpływem elektromagnetycznej fali elektrycznej pole zmienne w urządzeniu odbiorczym wzbudzono oscylację prądu. Jeśli w tym urządzeniu jego częstotliwość własna i częstotliwość przepływu pokrywały się, to pojawił się rezonans. W efekcie zakłócenia w urządzeniu odbiorczym wystąpiły z większą amplitudą. Badacz odkrył je, obserwując iskry między przewodnikami w niewielkiej szczelinie.

W ten sposób Hertz stał się pierwszym, który odkrył fale elektromagnetyczne, udowodnił, że jest dobrze odbijany od przewodników. Praktycznie uzasadnił powstawanie promieniowania stojącego. Ponadto Hertz określił prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w powietrzu.

Badanie charakterystyki

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w prawie wszystkich mediach. W przestrzeni wypełnionej materią promieniowanie może być w niektórych przypadkach dość dobrze rozłożone. Ale jednocześnie nieco zmieniają swoje zachowanie.

Fale elektromagnetyczne w próżni są wyznaczane bez tłumienia. Są one rozmieszczone na dowolnej, dowolnie dużej odległości. Główne cechy fal to polaryzacja, częstotliwość i długość. Opis właściwości odbywa się w ramach elektrodynamiki. Jednak bardziej szczegółowe działy fizyki zajmują się charakterystyką promieniowania w niektórych obszarach widma. Należą do nich na przykład optyka.

Sekcja wysokoenergetyczna zajmuje się badaniem twardego promieniowania elektromagnetycznego krótkofalowego końca widma. Biorąc pod uwagę współczesne idee, dynamika przestaje być samodzielną dyscypliną i łączy się w jedną teorię.

Teorie stosowane w badaniu właściwości

Dziś są różne metody, przyczyniając się do modelowania i badania przejawów i właściwości oscylacji. Najbardziej podstawową ze sprawdzonych i ukończonych teorii jest elektrodynamika kwantowa. Z niego, poprzez pewne uproszczenia, możliwe staje się uzyskanie następujących metod, które są szeroko stosowane w różnych dziedzinach.

Opis promieniowania o stosunkowo niskiej częstotliwości w ośrodku makroskopowym przeprowadza się za pomocą klasycznej elektrodynamiki. Opiera się na równaniach Maxwella. Jednocześnie pojawiają się uproszczenia w stosowanych aplikacjach. Badanie optyczne wykorzystuje optykę. Teoria falowa jest stosowana w przypadkach, gdy niektóre części układu optycznego mają rozmiary zbliżone do długości fal. Optyka kwantowa znajduje zastosowanie tam, gdzie istotne są procesy rozpraszania i pochłaniania fotonów.

Geometryczny teoria optyczna- przypadek graniczny, w którym dopuszcza się zaniedbanie długości fali. Istnieje również kilka sekcji stosowanych i podstawowych. Należą do nich na przykład astrofizyka, biologia percepcji wzrokowej i fotosyntezy oraz fotochemia. Jak klasyfikowane są fale elektromagnetyczne? Poniżej przedstawiono tabelę ilustrującą podział na grupy.

Klasyfikacja

Istnieją zakresy częstotliwości fal elektromagnetycznych. Nie ma między nimi ostrych przejść, czasem nakładają się na siebie. Granice między nimi są dość arbitralne. Ze względu na fakt, że przepływ jest rozłożony w sposób ciągły, częstotliwość jest sztywno związana z długością. Poniżej znajdują się zakresy fal elektromagnetycznych.

Promieniowanie ultrakrótkie zwykle dzieli się na mikrometr (submilimetr), milimetr, centymetr, decymetr, metr. Jeśli promieniowanie elektromagnetyczne mniej niż metr, to jest powszechnie nazywana oscylacją o ultrawysokiej częstotliwości (SHF).

Rodzaje fal elektromagnetycznych

Powyżej znajdują się zakresy fal elektromagnetycznych. Jakie są rodzaje strumieni? Grupa obejmuje promieniowanie gamma i rentgenowskie. Jednocześnie należy powiedzieć, że zarówno światło ultrafioletowe, jak i światło widzialne są zdolne do jonizacji atomów. Granice, w których znajdują się strumienie gamma i rentgenowskie, są określane raczej warunkowo. Limity 20 eV - 0,1 MeV są akceptowane jako ogólna orientacja. Strumienie gamma w wąskim sensie są emitowane przez jądro, promienie X są emitowane przez elektron powłoka atomowa w procesie wybijania elektronów z nisko położonych orbit. Jednak klasyfikacja ta nie dotyczy twardego promieniowania generowanego bez udziału jąder i atomów.

Strumienie promieniowania rentgenowskiego powstają, gdy naładowane szybkie cząstki (protony, elektrony itp.) zwalniają i w wyniku procesów zachodzących wewnątrz atomowych powłok elektronowych. Oscylacje gamma powstają w wyniku procesów wewnątrz jąder atomów oraz podczas transformacji cząstek elementarnych.

strumienie radiowe

Należny wielkie znaczenie Uwzględnienie długości tych fal można przeprowadzić bez uwzględniania struktury atomowej ośrodka. Jedynymi wyjątkami są najkrótsze strumienie, które sąsiadują z podczerwonym obszarem widma. W zakresie radiowym właściwości kwantowe oscylacji ujawniają się raczej słabo. Niemniej jednak muszą być brane pod uwagę np. przy analizie wzorców czasu molekularnego i częstotliwości podczas schładzania sprzętu do temperatury kilku kelwinów.

Właściwości kwantowe są również brane pod uwagę przy opisywaniu oscylatorów i wzmacniaczy w zakresie milimetrowym i centymetrowym. Strumień radiowy powstaje podczas ruchu prądu przemiennego przez przewodniki o odpowiedniej częstotliwości. Przechodząca w przestrzeni fala elektromagnetyczna wzbudza odpowiednią falę. Ta właściwość jest wykorzystywana przy projektowaniu anten w radiotechnice.

Widoczne strumienie

Ultrafiolet i podczerwień promieniowanie widzialne stanowi w szerokim tego słowa znaczeniu tzw. optyczny odcinek widma. O wyborze tego rejonu decyduje nie tylko bliskość odpowiednich stref, ale także podobieństwo instrumentów użytych w badaniach i opracowanych głównie podczas badania światła widzialnego. Należą do nich w szczególności lustra i soczewki do ogniskowania promieniowania, siatki dyfrakcyjne, pryzmaty i inne.

Częstotliwości fal optycznych są porównywalne z częstotliwościami cząsteczek i atomów, a ich długości są porównywalne z odległościami międzycząsteczkowymi i rozmiarami cząsteczek. Dlatego istotne w tej dziedzinie nabierają zjawiska, które wynikają z atomistycznej budowy materii. Z tego samego powodu światło wraz z właściwościami fal ma również właściwości kwantowe.

Pojawienie się przepływów optycznych

Najbardziej znanym źródłem jest Słońce. Powierzchnia gwiazdy (fotosfery) ma temperaturę 6000 kelwinów i emituje jasne, białe światło. Największa wartość widma ciągłego znajduje się w strefie „zielonej” – 550 nm. Istnieje również maksymalna wrażliwość wizualna. Oscylacje w zakresie optycznym powstają podczas podgrzewania ciał. Przepływy w podczerwieni są zatem również określane jako termiczne.

Im silniejsze nagrzewanie się ciała, tym wyższa częstotliwość, w której znajduje się maksimum widma. Przy pewnym wzroście temperatury obserwuje się ciepło (świecenie w zakresie widzialnym). W tym przypadku najpierw pojawia się kolor czerwony, potem żółty i tak dalej. Tworzenie i rejestracja przepływów optycznych może zachodzić w biologicznych i reakcje chemiczne, z których jeden jest używany w fotografii. Dla większości stworzeń żyjących na Ziemi fotosynteza działa jak źródło energii. Ta reakcja biologiczna zachodzi w roślinach pod wpływem optycznego promieniowania słonecznego.

Cechy fal elektromagnetycznych

Właściwości medium i źródła wpływają na charakterystykę przepływów. Określa to w szczególności zależność czasową pól, która determinuje rodzaj przepływu. Na przykład, gdy zmienia się odległość od wibratora (w miarę jego wzrostu), promień krzywizny staje się większy. W rezultacie powstaje płaska fala elektromagnetyczna. Oddziaływanie z materią zachodzi również na różne sposoby.

Procesy pochłaniania i emisji przepływów z reguły można opisać za pomocą klasycznych relacji elektrodynamicznych. W przypadku fal w obszarze optycznym i promieni twardych tym bardziej należy wziąć pod uwagę ich kwantową naturę.

Źródła strumieniowe

Pomimo różnicy fizycznej, wszędzie - w substancji radioaktywnej, nadajniku telewizyjnym, lampie żarowej - fale elektromagnetyczne są wzbudzane ładunki elektryczne które poruszają się z przyspieszeniem. Istnieją dwa główne rodzaje źródeł: mikroskopowe i makroskopowe. W pierwszym następuje gwałtowne przejście naładowanych cząstek z jednego na drugi poziom wewnątrz molekuł lub atomów.

Źródła mikroskopowe emitują promieniowanie rentgenowskie, gamma, ultrafioletowe, podczerwone, widzialne, aw niektórych przypadkach promieniowanie długofalowe. Przykładem tego ostatniego jest linia w widmie wodoru, która odpowiada fali 21 cm.Zjawisko to ma szczególne znaczenie w radioastronomii.

Źródła makroskopowe to emitery, w których swobodne elektrony przewodników wykonują okresowe oscylacje synchroniczne. W systemach tej kategorii przepływy generowane są od milimetra do najdłuższego (w liniach elektroenergetycznych).

Struktura i siła przepływów

Wraz z przyspieszeniem i okresowo zmieniającymi się prądami oddziałują na siebie pewnymi siłami. Kierunek i ich wielkość zależą od takich czynników, jak wielkość i konfiguracja obszaru, w którym znajdują się prądy i ładunki, ich względny kierunek i wielkość. Istotny wpływ mają również właściwości elektryczne danego medium, a także zmiany koncentracji ładunków i rozkład prądów źródłowych.

W połączeniu z ogólna złożoność zdanie problemu, nie można przedstawić prawa sił w postaci jednej formuły. Strukturę, zwaną polem elektromagnetycznym, uważaną w razie potrzeby za obiekt matematyczny, określa rozkład ładunków i prądów. Ta z kolei jest tworzona przez dane źródło z uwzględnieniem warunków brzegowych. Warunki są określane przez kształt strefy interakcji i właściwości materiału. Jeśli mówimy o nieograniczonej przestrzeni, te okoliczności są uzupełniane. Jako specjalny dodatkowy warunek w takich przypadkach pojawia się stan radiacyjny. Dzięki temu gwarantowane jest „prawidłowe” zachowanie pola w nieskończoności.

Kalendarium studiów

Łomonosow w niektórych swoich postanowieniach antycypuje pewne postulaty teorii pola elektromagnetycznego: „obrotowy” (obrotowy) ruch cząstek, „fluktuacyjną” (falową) teorię światła, jego wspólność z naturą elektryczności itp. Strumienie podczerwieni odkryty w 1800 roku przez Herschela (angielskich naukowców), a w 1801 roku ultrafiolet został opisany przez Rittera. Promieniowanie krótsze niż zakres ultrafioletowy zostało odkryte przez Roentgena w 1895, 8 listopada. Następnie nazwano to zdjęciem rentgenowskim.

Wpływ fal elektromagnetycznych był badany przez wielu naukowców. Jednak Narkiewicz-Iodko (białoruski naukowiec) jako pierwszy zbadał możliwości przepływów i ich zakres. Studiował właściwości przepływów w odniesieniu do medycyny praktycznej. Promieniowanie gamma zostało odkryte przez Paula Willarda w 1900 roku. W tym samym okresie Planck prowadził teoretyczne badania właściwości ciała doskonale czarnego. W trakcie studiów odkrył kwantową naturę tego procesu. Jego praca była początkiem rozwoju. Następnie opublikowano kilka prac Plancka i Einsteina. Ich badania doprowadziły do powstania takiej koncepcji jak foton. To z kolei położyło podwaliny pod stworzenie teorii kwantowej. przepływy elektromagnetyczne. Jego rozwój kontynuowany był w pracach czołowych naukowców XX wieku.

Dalsze badania i prace nad kwantową teorią promieniowania elektromagnetycznego i jego oddziaływaniem z materią doprowadziły ostatecznie do powstania elektrodynamiki kwantowej w takiej formie, w jakiej istnieje ona dzisiaj. Wśród wybitnych naukowców zajmujących się badaniem tego zagadnienia należy wymienić, oprócz Einsteina i Plancka, Bohra, Bohra, Diraca, de Broglie, Heisenberga, Tomonagę, Schwingera, Feynmana.

Wniosek

Wartość fizyki w nowoczesny świat wystarczająco duży. Niemal wszystko, co jest dziś używane w życiu człowieka, pojawiło się dzięki praktyczne użycie badania wielkich naukowców. Odkrycie fal elektromagnetycznych i ich badanie, w szczególności, doprowadziło do powstania konwencjonalnych, a później telefonów komórkowych, nadajników radiowych. Specjalne znaczenie praktyczne użycie taką wiedzę teoretyczną posiada w dziedzinie medycyny, przemysłu, technologii.

To szerokie zastosowanie wynika z ilościowego charakteru nauki. Wszystko eksperymenty fizyczne opierają się na pomiarach, porównaniu właściwości badanych zjawisk z dostępnymi normami. W tym celu, w ramach dyscypliny, kompleks urządzenia pomiarowe i jednostki. Szereg prawidłowości jest wspólnych dla wszystkich istniejących systemów materialnych. Na przykład prawa zachowania energii są uważane za ogólne prawa fizyczne.

Naukę jako całość nazywa się w wielu przypadkach fundamentalną. Wynika to przede wszystkim z tego, że inne dyscypliny podają opisy, które z kolei przestrzegają praw fizyki. Tak więc w chemii badane są atomy, powstałe z nich substancje i przemiany. Ale Właściwości chemiczne ciała są określone Charakterystyka fizyczna cząsteczki i atomy. Właściwości te opisują takie działy fizyki jak elektromagnetyzm, termodynamika i inne.