Содержание статьи
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, – заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.
Может показаться удивительным, что внешне столь разные физические явления имеют общую основу. В самом деле, что общего между кусочком радиоактивного вещества, рентгеновской трубкой, ртутной газоразрядной лампой, лампочкой фонарика, теплой печкой, радиовещательной станцией и генератором переменного тока, подключенным к линии электропередачи? Как, впрочем, и между фотопленкой, глазом, термопарой, телевизионной антенной и радиоприемником. Тем не менее, первый список состоит из источников, а второй – из приемников электромагнитного излучения. Воздействия разных видов излучения на организм человека тоже различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений – в сущности разные стороны одного явления.
Взаимодействие между источником и приемником формально состоит в том, что при всяком изменении в источнике, например при его включении, наблюдается некое изменение в приемнике. Это изменение происходит не сразу, а спустя некоторое время, и количественно согласуется с представлением о том, что нечто перемещается от источника к приемнику с очень большой скоростью. Сложная математическая теория и огромное число разнообразных экспериментальных данных показывают, что электромагнитное взаимодействие между источником и приемником, разделенными вакуумом или разреженным газом, может быть представлено в виде волн, распространяющихся от источника к приемнику со скоростью света с .
Скорость распространения в свободном пространстве одинакова для всех типов электромагнитных волн от гамма-лучей до волн низкочастотного диапазона. Но число колебаний в единицу времени (т.е. частота f ) меняется в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду для электромагнитных волн низкочастотного диапазона до 10 20 колебаний в секунду в случае рентгеновского и гамма-излучений. Поскольку длина волны (т.е. расстояние между соседними горбами волны; рис. 1) дается выражением l = с /f , она тоже изменяется в широких пределах – от нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний до 10 –14 м для рентгеновского и гамма-излучений. Именно поэтому взаимодействие электромагнитных волн с веществом столь различно в разных частях их спектра. И все же все эти волны родственны между собой, как родственны водяная рябь, волны на поверхности пруда и штормовые океанские волны, тоже по-разному воздействующие на объекты, встречающиеся на их пути. Электромагнитные волны существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику через вакуум или межзвездное пространство. Например, рентгеновские лучи, возникающие в вакуумной трубке, воздействуют на фотопленку, расположенную вдали от нее, тогда как звук колокольчика, находящегося под колпаком, услышать невозможно, если откачать воздух из-под колпака. Глаз воспринимает идущие от Солнца лучи видимого света, а расположенная на Земле антенна – радиосигналы удаленного на миллионы километров космического аппарата. Таким образом, никакой материальной среды, вроде воды или воздуха, для распространения электромагнитных волн не требуется.
Источники электромагнитного излучения.
Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Системы такого типа генерируют излучение в диапазоне от миллиметровых до самых длинных волн (в линиях электропередачи).
Гамма-лучи испускаются самопроизвольно при распаде ядер атомов радиоактивных веществ, например радия. При этом происходят сложные процессы изменения структуры ядра, связанные с движением зарядов. Генерируемая частота f определяется разностью энергий E 1 и E 2 двух состояний ядра: f = (E 1 – E 2)/h , где h – постоянная Планка.
Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода (антикатода) электронами, обладающими большими скоростями. Быстро замедляясь в материале анода, эти электроны испускают так называемое тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр, а происходящая в результате электронной бомбардировки перестройка внутренней структуры атомов анода, в результате которой атомные электроны переходят в состояние с меньшей энергией, сопровождается испусканием так называемого характеристического излучения, частоты которого определяются материалом анода.
Такие же электронные переходы в атоме дают ультрафиолетовое и видимое световое излучение. Что же касается инфракрасного излучения, то оно обычно является результатом изменений, мало затрагивающих электронную структуру и связанных преимущественно с изменениями амплитуды колебаний и вращательного момента импульса молекулы.
В генераторах электрических колебаний имеется «колебательный контур» того или иного типа, в котором электроны совершают вынужденные колебания с частотой, зависящей от его конструкции и размеров. Наиболее высокие частоты, соответствующие миллиметровым и сантиметровым волнам, генерируются клистронами и магнетронами – электровакуумными приборами с металлическими объемными резонаторами, колебания в которых возбуждаются токами электронов. В генераторах более низких частот колебательный контур состоит из катушки индуктивности (индуктивность L ) и конденсатора (емкость C ) и возбуждается ламповой или транзисторной схемой. Собственная частота такого контура, которая при малом затухании близка к резонансной, дается выражением .
Переменные поля очень низких частот, используемые для передачи электрической энергии, создаются электромашинными генераторами тока, в которых роторы, несущие проволочные обмотки, вращаются между полюсами магнитов.
Теория Максвелла, эфир и электромагнитное взаимодействие.
Когда океанский лайнер в тихую погоду проходит на некотором расстоянии от рыбацкой лодки, то спустя какое-то время лодка начинает сильно раскачиваться на волнах. Причина этого всем понятна: от носа лайнера по поверхности воды бежит волна в виде последовательности горбов и впадин, которая и достигает рыбацкой лодки.
Когда при помощи специального генератора в установленной на искусственном спутнике Земли и направленной на Землю антенне возбуждаются колебания электрического заряда, в приемной антенне на Земле (также через некоторое время) возбуждается электрический ток. Как же передается взаимодействие от источника к приемнику, если между ними отсутствует материальная среда? И если сигнал, поступающий на приемник, можно представить в виде некоторой падающей волны, то что это за волна, которая способна распространяться в вакууме, и как могут возникать горбы и впадины там, где ничего нет?
Над этими вопросами в применении к видимому свету, распространяющемуся от Солнца к глазу наблюдателя, ученые задумывались уже давно. На протяжении большей части 19 в. такие физики, как О.Френель , И.Фраунгофер , Ф.Нейман, пытались найти ответ в том, что пространство на самом деле не пусто, а заполнено некой средой («светоносным эфиром»), наделенной свойствами упругого твердого тела. Хотя такая гипотеза и помогла объяснить некоторые явления в вакууме, она привела к непреодолимым трудностям в задаче о прохождении света через границу двух сред, например воздуха и стекла. Это побудило ирландского физика Дж.Мак-Куллага отбросить идею упругого эфира. В 1839 он предложил новую теорию, в которой постулировалось существование среды, по своим свойствам отличной от всех известных материалов. Такая среда не оказывает сопротивления сжатию и сдвигу, но сопротивляется вращению. Из-за этих странных свойств модель эфира Мак-Куллага вначале на вызвала особого интереса. Однако в 1847 Кельвин продемонстрировал наличие аналогии между электрическими явлениями и механической упругостью. Исходя из этого, а также из представлений М.Фарадея о силовых линиях электрического и магнитного полей, Дж.Максвелл предложил теорию электрических явлений, которая, по его словам, «отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям в некой всепроникающей среде, причем эти напряжения такие же, с какими имеют дело инженеры, а среда и есть именно та среда, в которой, как предполагают, распространяется свет». В 1864 Максвелл сформулировал систему уравнений, охватывающую все электромагнитные явления. Примечательно, что его теория во многом напоминала теорию, предложенную за четверть века до этого Мак-Куллагом. Уравнения Максвелла были столь всеохватывающими, что из них выводились законы Кулона , Ампера , электромагнитной индукции и следовал вывод о совпадении скорости распространения электромагнитных явлений со скоростью света.
После того как уравнениям Максвелла была придана более простая форма (заслуга в основном О.Хевисайда и Г.Герца), полевые уравнения стали ядром электромагнитной теории. Хотя эти уравнения сами по себе и не требовали максвелловской интерпретации на основе представлений о напряжениях и давлениях в эфире, такая интерпретация повсеместно была принята. Несомненный успех уравнений в предсказании и объяснении различных электромагнитных явлений был воспринят как подтверждение справедливости не только уравнений, но и механистической модели, на основе которой они были выведены и истолкованы, хотя эта модель была совершенно не существенна для математической теории. Фарадеевские силовые линии поля и трубки тока наряду с деформациями и смещениями стали существенными атрибутами эфира. Энергия рассматривалась как запасенная в напряженной среде, а ее поток Г.Пойнтинг в 1884 представил вектором, носящим теперь его имя. В 1887 Герц экспериментально продемонстрировал существование электромагнитных волн. В серии блестящих экспериментов он измерил скорость их распространения, а также показал, что они могут отражаться, преломляться и поляризоваться. В 1896 Г.Маркони получил патент на радиосвязь.
В континентальной Европе независимо от Максвелла развивалась теория дальнодействия – совершенно другой подход к проблеме электромагнитного взаимодействия. Максвелл писал по этому поводу: «Согласно теории электричества, которая делает большие успехи в Германии, две заряженные частицы непосредственно действуют друг на друга на расстоянии с силой, которая, по Веберу, зависит от их относительной скорости и действует, согласно теории, основанной на идеях Гаусса и развитой Риманом, Лоренцом и Нейманом, не мгновенно, а спустя некоторое время, зависящее от расстояния. По достоинству оценить мощь этой теории, которая столь выдающимся людям объясняет любой вид электрических явлений, можно, лишь изучив ее». Теорию, о которой говорил Максвелл, наиболее полно развил датский физик Л.Лоренц с помощью скалярного и векторного запаздывающих потенциалов, почти таких же, как и в современной теории. Максвелл отвергал идею запаздывающего действия на расстоянии, будь то потенциалы или силы. «Эти физические гипотезы совершенно чужды моим представлениям о природе вещей», – писал он. Тем не менее, теория Римана и Лоренца в математическом отношении была идентична его теории, и в конце концов он согласился, что в пользу теории дальнодействия свидетельствуют более убедительные доказательства. В своем Трактате об электричестве и магнетизме (Treatise on Electricity and Magnetism , 1873) он писал: «Не следует упускать из виду, что мы сделали всего лишь один шаг в теории действия среды. Мы высказали предположение, что она находится в состоянии напряжения, но совершенно не объяснили, что это за напряжение и как оно поддерживается».
В 1895 голландский физик Х.Лоренц объединил ранние ограниченные теории взаимодействия между неподвижными зарядами и токами, которые предвосхищали теорию запаздывающих потенциалов Л.Лоренца и были созданы в основном Вебером, с общей теорией Максвелла. Х.Лоренц рассматривал материю как содержащую электрические заряды, которые, различными способами взаимодействуя между собой, производят все известные электромагнитные явления. Вместо того чтобы принять концепцию запаздывающего действия на расстоянии, описываемого запаздывающими потенциалами Римана и Л.Лоренца, он исходил из предположения, что движение зарядов создает электромагнитное поле , способное распространяться сквозь эфир и переносить импульс и энергию от одной системы зарядов к другой. Но необходимо ли для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитной волны существование такой среды, как эфир? Многочисленные эксперименты, призванные подтвердить существование эфира, в том числе и эксперимент по «увлечению эфира», дали отрицательный результат. Более того, гипотеза о существовании эфира оказалась в противоречии с теорией относительности и с положением о постоянстве скорости света. Вывод можно проиллюстрировать словами А.Эйнштейна: «Если эфиру не свойственно никакое конкретное состояние движения, то вряд ли имеет смысл вводить его как некую сущность особого рода наряду с пространством».
Излучение и распространение электромагнитных волн.
Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала. Когда речь идет о неограниченном пространстве, эти условия дополняются особым граничным условием – условием излучения . Последнее гарантирует «правильное» поведение поля на бесконечности.
Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля E и вектором магнитной индукции B , каждый из которых в любой точке пространства имеет определенную величину и направление. На рис. 2 схематически изображена электромагнитная волна с векторами E и B , распространяющаяся в положительном направлении оси х . Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку переходят друг в друга при преобразованиях Лоренца. Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то говорят, что поле имеет круговую поляризацию; если же длина вектора периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.
Соотношение между электромагнитным полем и колеблющимися токами и зарядами, поддерживающими это поле, можно проиллюстрировать на относительно простом, но очень наглядном примере антенны типа полуволнового симметричного вибратора (рис. 3). Если тонкую проволоку, длина которой составляет половину длины волны излучения, разрезать посередине и к разрезу подключить высокочастотный генератор, то приложенное переменное напряжение будет поддерживать примерно синусоидальное распределение тока в вибраторе. В момент времени t = 0, когда амплитуда тока достигает максимального значения, а вектор скорости положительных зарядов направлен вверх (отрицательных – вниз), в любой точке антенны заряд, приходящийся на единицу ее длины, равен нулю. По прошествии первой четверти периода (t = T /4) положительные заряды будут сосредоточены на верхней половине антенны, а отрицательные – на нижней. При этом ток равен нулю (рис. 3,б ). В момент t = T /2 заряд, приходящийся на единицу длины, равен нулю, а вектор скорости положительных зарядов направлен вниз (рис. 3,в ). Затем к концу третьей четверти заряды перераспределяются (рис. 3,г ), а по ее завершении заканчивается полный период колебаний (t = T ) и все снова выглядит так, как на рис. 3,а .
Чтобы сигнал (например, меняющийся во времени ток, приводящий в действие громкоговоритель радиоприемника) можно было передать на расстояние, излучение передатчика нужно промодулировать путем, например, изменения амплитуды тока в передающей антенне в соответствии с сигналом, что повлечет за собой модуляцию амплитуды колебаний электромагнитного поля (рис. 4).
Передающая антенна является той частью передатчика, где электрические заряды и токи совершают колебания, излучая в окружающее пространство электромагнитное поле. Антенна может иметь самые разнообразные конфигурации, в зависимости от того, какую форму электромагнитного поля необходимо получить. Она может быть одиночным симметричным вибратором или же системой симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и обеспечивающих необходимое соотношение между амплитудами и фазами токов. Антенна может представлять собой симметричный вибратор, расположенный перед сравнительно большой плоской или изогнутой металлической поверхностью, играющей роль отражателя. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн особенно эффективна антенна в форме рупора, соединенного с металлической трубой-волноводом, который играет роль линии передачи. Токи в короткой антенне на входе волновода индуцируют переменные токи на его внутренней поверхности. Эти токи и связанное с ними электромагнитное поле распространяются по волноводу к рупору.
Меняя конструкцию антенны и ее геометрию, можно добиться такого соотношения амплитуд и фаз колебаний токов в различных ее частях, чтобы излучение усиливалось в одних направлениях и ослаблялось в других (антенны направленного действия).
На больших расстояниях от антенны любого типа электромагнитное поле имеет довольно простой вид: в любой данной точке векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В колеблются в фазе во взаимно перпендикулярных плоскостях, убывая обратно пропорционально расстоянию от источника. При этом волновой фронт имеет форму увеличивающейся в размерах сферы, а вектор потока энергии (вектор Пойнтинга) направлен вовне по ее радиусам. Интеграл от вектора Пойнтинга по всей сфере дает полную, усредненную по времени, излучаемую энергию. При этом волны, распространяющиеся в радиальном направлении со скоростью света, переносят от источника не только колебания векторов E и B , но также импульс поля и его энергию.
Прием электромагнитных волн и явление рассеяния.
Если в зоне электромагнитного поля, распространяющегося от удаленного источника, поместить проводящий цилиндр, то индуцированные в нем токи будут пропорциональны напряженности электромагнитного поля и, кроме того, будут зависеть от ориентации цилиндра относительно фронта падающей волны и от направления вектора напряженности электрического поля. Если цилиндр имеет вид проволоки, диаметр которой мал по сравнению с длиной волны, то индуцированный ток будет максимальным, когда проволока параллельна вектору Е падающей волны. Если проволоку разрезать посередине и к образовавшимся выводам присоединить нагрузку, то к ней будет подводиться энергия, как это и имеет место в случае радиоприемника. Токи в этой проволоке ведут себя так же, как и переменные токи в передающей антенне, а потому она тоже излучает поле в окружающее пространство (т.е. происходит рассеяние падающей волны).
Отражение и преломление электромагнитных волн.
Передающую антенну обычно устанавливают высоко над поверхностью земли. Если антенна находится в сухой песчаной или скалистой местности, то грунт ведет себя как изолятор (диэлектрик), и токи, индуцируемые в нем антенной, связаны с внутриатомными колебаниями, поскольку здесь нет свободных носителей заряда, как в проводниках и ионизованных газах. Эти микроскопические колебания создают над поверхностью земли поле отраженной от земной поверхности электромагнитной волны и, кроме того, изменяют направление распространения волны, входящей в грунт. Эта волна движется с меньшей скоростью и под меньшим углом к нормали, чем падающая. Такое явление называется преломлением. Если же волна падает на участок поверхности земли, имеющий, наряду с диэлектрическими, также и проводящие свойства, то общая картина для преломленной волны выглядит намного сложнее. Как и прежде, волна меняет направление движения у границы раздела, но теперь поле в грунте распространяется таким образом, что поверхности равных фаз уже не совпадают с поверхностями равных амплитуд, как это обычно имеет место в случае плоской волны. Кроме того, быстро затухает амплитуда волновых колебаний, поскольку электроны проводимости при столкновениях отдают свою энергию атомам. В результате энергия волновых колебаний переходит в энергию хаотического теплового движения и рассеивается. Поэтому там, где грунт проводит электричество, волны не могут проникнуть в него на большую глубину. То же самое относится и к морской воде, чем затрудняется радиосвязь с подводными лодками.
В верхних слоях земной атмосферы располагается слой ионизованного газа, который называется ионосферой. Он состоит из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Под действием посылаемых с земли электромагнитных волн заряженные частицы ионосферы начинают колебаться и излучать собственное электромагнитное поле. Заряженные ионосферные частицы взаимодействуют с посланной волной примерно так же, как и частицы диэлектрика в рассмотренном выше случае. Однако электроны ионосферы не связаны с атомами, как в диэлектрике. Они реагируют на электрическое поле посланной волны не мгновенно, а с некоторым сдвигом по фазе. В результате волна в ионосфере распространяется не под меньшим, как в диэлектрике, а под бóльшим углом к нормали, чем посланная с земли падающая волна, причем фазовая скорость волны в ионосфере оказывается больше скорости света c . Когда волна падает под некоторым критическим углом, угол между преломленным лучом и нормалью становится близок к прямому, а при дальнейшем увеличении угла падения излучение отражается в сторону Земли. Очевидно, что в этом случае электроны ионосферы создают поле, которым компенсируется поле преломленной волны в вертикальном направлении, а ионосфера действует как зеркало.
Энергия и импульс излучения.
В современной физике выбор между теорией электромагнитного поля Максвелла и теорией запаздывающего дальнодействия делается в пользу теории Максвелла. До тех пор, пока нас интересует только взаимодействие источника и приемника, обе теории одинаково хороши. Однако теория дальнодействия не дает никакого ответа на вопрос, где находится энергия, которую уже излучил источник, но еще не принял приемник. Согласно теории Максвелла, источник передает энергию электромагнитной волне, в которой она и находится, пока не будет передана поглотившему волну приемнику. При этом на каждом этапе соблюдается закон сохранения энергии.
Таким образом, электромагнитные волны обладают энергией (а также импульсом), что заставляет считать их столь же реальными, как, например, атомы. Электроны и протоны, находящиеся на Солнце, передают энергию электромагнитному излучению, в основном в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; примерно через 500 с, достигнув Земли, оно эту энергию отдает: повышается температура, в зеленых листьях растений происходит фотосинтез, и т.д. В 1901 П.Н.Лебедев экспериментально измерил давление света, подтвердив, что свет имеет не только энергию, но и импульс (причем соотношение между ними согласуется с теорией Максвелла).
Фотоны и квантовая теория.
На рубеже 19 и 20 вв., когда казалось, что исчерпывающая теория электромагнитного излучения, наконец, построена, природа преподнесла очередной сюрприз: оказалось, что помимо волновых свойств, описываемых теорией Максвелла, излучение проявляет также свойства частиц, причем тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем. Оказалось, что энергия каждого выбитого электрона зависит от частоты n падающего света, но не от его интенсивности. Это свидетельствует о том, что энергия, связанная со световой волной, передается дискретными порциями – квантами. Если увеличивать интенсивность падающего света, то растет число выбитых в единицу времени электронов, но не энергия каждого из них. Иными словами, излучение передает энергию определенными минимальными порциями – как бы частицами света, которые были названы фотонами. Фотон не имеет ни массы покоя, ни заряда, но обладает спином, а также импульсом, равным hn /c , и энергией, равной hn ; он перемещается в свободном пространстве с постоянной скоростью c .
Каким же образом электромагнитное излучение может иметь все свойства волн, проявляющиеся в интерференции и дифракции, но вести себя как поток частиц в случае фотоэффекта? В настоящее время наиболее удовлетворительное объяснение этой двойственности можно найти в сложном формализме квантовой электродинамики. Но и эта изощренная теория имеет свои трудности, а ее математическая непротиворечивость вызывает сомнения. ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; ВЕКТОР.
К счастью, в макроскопических задачах излучения и приема миллиметровых и более длинных электромагнитных волн квантовомеханические эффекты обычно не имеют существенного значения. Число фотонов, излучаемых, например, симметричной вибраторной антенной, столь велико, а энергия, переносимая каждым из них, столь мала, что можно забыть о дискретных квантах и считать, что испускание излучения – непрерывный процесс.
Электромагнитные волны (таблица которых будет приведена ниже) представляют собой возмущения магнитных и электрических полей, распределяющиеся в пространстве. Их существует несколько типов. Изучением этих возмущений занимается физика. Электромагнитные волны образуются из-за того, что электрическое переменное поле порождает магнитное, а оно, в свою очередь, порождает электрическое.
История исследований
Первые теории, которые можно считать самыми старыми вариантами гипотез об электромагнитных волнах, относятся как минимум к временам Гюйгенса. В тот период предположения достигли выраженного количественного развития. Гюйгенс в 1678-м году выпустил в некотором роде "набросок" теории - "Трактат о свете". В 1690-м он же издал другой замечательный труд. В нем была изложена качественная теория отражения, лучепреломления в том виде, в котором она и сегодня представлена в школьных учебниках ("Электромагнитные волны", 9 класс).
Вместе с этим был сформулирован принцип Гюйгенса. С его помощью появилась возможность изучать движение фронта волны. Этот принцип впоследствии нашел свое развитие в трудах Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля имел особую значимость в теории дифракции и волновой теории света.
В 1660-1670-е годы большой экспериментальный и теоретический вклад внесли в исследования Гук и Ньютон. Кто открыл электромагнитные волны? Кем были проведены опыты, доказывающие их существование? Какие существуют виды электромагнитных волн? Об этом далее.
Обоснование Максвелла
Прежде чем говорить о том, кто открыл электромагнитные волны, следует сказать, что первым ученым, который вообще предсказал их существование, стал Фарадей. Свою гипотезу он выдвинул в 1832-м году. Построением теории впоследствии занимался Максвелл. К 1865-му году он завершил эту работу. В результате Максвелл строго оформил теорию математически, обосновав существование рассматриваемых явлений. Им же была определена скорость распространения электромагнитных волн, совпадавшая с применявшимся тогда значением световой скорости. Это, в свою очередь, позволило ему обосновать гипотезу о том, что свет является одним из типов рассматриваемых излучений.
Экспериментальное обнаружение
Теория Максвелла нашла свое подтверждение в опытах Герца в 1888-м году. Здесь следует сказать, что немецкий физик проводил свои эксперименты, чтобы опровергнуть теорию, несмотря на ее математическое обоснование. Однако благодаря своим опытам Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны практически. Кроме того, в ходе своих экспериментов ученый выявил свойства и характеристики излучений.
Электромагнитные колебания и волны Герц получал за счет возбуждения серии импульсов быстропеременного потока в вибраторе при помощи источника повышенного напряжения. Высокочастотные потоки можно обнаружить при помощи контура. Частота колебаний при этом будет тем выше, чем выше его емкость и индуктивность. Но при этом большая частота не является гарантией интенсивного потока. Для проведения своих опытов Герц применил достаточно простое устройство, которое сегодня так и называют - "вибратор Герца". Приспособление представляет собой колебательный контур открытого типа.
Схема опыта Герца
Регистрация излучений осуществлялась при помощи приемного вибратора. Это устройство имело такую же конструкцию, что и излучающий прибор. Под влиянием электромагнитной волны электрического переменного поля в приемном устройстве происходило возбуждение токового колебания. Если в этом приборе его собственная частота и частота потока совпадали, то появлялся резонанс. В результате возмущения в приемном устройстве происходили с большей амплитудой. Обнаруживал их исследователь, наблюдая искорки между проводниками в небольшом промежутке.
Таким образом, Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны, доказал их способность хорошо отражаться от проводников. Им было практически обосновано образование стоячего излучения. Кроме того, Герц определил скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.
Изучение характеристик
Электромагнитные волны распространяются почти во всех средах. В пространстве, которое заполнено веществом, излучения могут в ряде случаев распределяться достаточно хорошо. Но при этом они несколько изменяют свое поведение.
Электромагнитные волны в вакууме определяются без затуханий. Они распределяются на любое, сколь угодно большое расстояние. К основным характеристикам волн относят поляризацию, частоту и длину. Описание свойств осуществляется в рамках электродинамики. Однако характеристиками излучений некоторых областей спектра занимаются более конкретные разделы физики. К ним, например, можно отнести оптику.
Исследованием жесткого электромагнитного излучения коротковолнового спектрального конца занимается раздел высоких энергий. С учетом современных представлений динамика перестает являться самостоятельной дисциплиной и объединяется со в одной теории.
Теории, применяемые при изучении свойств
Сегодня существуют различные методы, способствующие моделированию и исследованию проявлений и свойств колебаний. Наиболее фундаментальной из проверенных и завершенных теорий считается квантовая электродинамика. Из нее посредством тех или других упрощений становится возможным получить перечисленные ниже методики, которые широко используются в различных сферах.
Описание относительно низкочастотного излучения в макроскопической среде осуществляется при помощи классической электродинамики. Она основана на уравнениях Максвелла. При этом в прикладных применениях существуют упрощения. При оптическом изучении используется оптика. Волновая теория применяется в случаях, когда некоторые части оптической системы по размерам приближены к длинам волн. Квантовая оптика используется, когда существенными являются процессы рассеяния, поглощения фотонов.
Геометрическая оптическая теория - предельный случай, при котором допускается пренебрежение длиной волны. Также существует несколько прикладных и фундаментальных разделов. К ним, к примеру, относят астрофизику, биологию зрительного восприятия и фотосинтеза, фотохимию. Как классифицируются электромагнитные волны? Таблица, наглядно изображающая распределение на группы, представлена далее.
Классификация
Существуют частотные диапазоны электромагнитных волн. Между ними не существует резких переходов, иногда они перекрывают друг друга. Границы между ними достаточно условны. В связи с тем, что поток распределяется непрерывно, частота жестко связывается с длиной. Ниже представлены диапазоны электромагнитных волн.
Ультракороткие излучения принято разделять на микрометровые (субмиллиметровые), миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые. Если электромагнитного излучения меньше метра, то ее принято называть колебанием сверхвысокой частоты (СВЧ).
Виды электромагнитных волн
Выше представлены диапазоны электромагнитных волн. Какие существуют виды потоков? Группа включает в себя гамма- и рентгеновские лучи. При этом следует сказать, что ионизировать атомы способен и ультрафиолет, и даже видимый свет. Границы, в которых находятся гамма- и рентгеновские потоки, определяются весьма условно. В качестве общей ориентировки принимаются пределы 20 эВ - 0.1 Мэв. Гамма-потоки в узком смысле испускаются ядром, рентгеновские - электронной атомной оболочкой в процессе выбивания с низколежащих орбит электронов. Однако данная классификация неприменима к жестким излучениям, генерируемым без участия ядер и атомов.
Рентгеновские потоки формируются при замедлении заряженных быстрых частиц (протонов, электронов и прочих) и вследствие процессов, которые происходят внутри атомных электронных оболочек. Гамма-колебания возникают в результате процессов внутри ядер атомов и при превращении элементарных частиц.
Радиопотоки
За счет большого значения длин рассмотрение этих волн допускается осуществлять, не учитывая атомистическое строение среды. В качестве исключения выступают лишь самые короткие потоки, которые примыкают к инфракрасной области спектра. В радиодиапазоне квантовые свойства колебаний проявляются достаточно слабо. Тем не менее их необходимо учитывать, например, при анализе молекулярных стандартов времени и частоты во время охлаждения аппаратуры до температуры в несколько кельвинов.
Квантовые свойства принимаются во внимание и при описании генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Радиопоток формируется во время движения переменного тока по проводникам соответствующей частоты. А проходящая электромагнитная волна в пространстве возбуждает соответствующий ей. Данное свойство применяется при конструировании антенн в радиотехнике.
Видимые потоки
Ультрафиолетовое и инфракрасное видимое излучение составляет в широком смысле слова так называемый оптический участок спектра. Выделение этой области обуславливается не только близостью соответствующих зон, но и аналогичностью приборов, используемых при исследовании и разработанных преимущественно во время изучения видимого света. К ним, в частности, относятся зеркала и линзы для фокусирования излучений, дифракционные решетки, призмы и прочие.
Частоты оптических волн сравнимы с таковыми у молекул и атомов, а длины их - с межмолекулярными расстояниями и молекулярными размерами. Поэтому существенными в этой области становятся явления, которые обусловлены атомистической структурой вещества. По той же причине свет вместе с волновыми обладает и квантовыми свойствами.
Возникновение оптических потоков
Самым известным источником является Солнце. Поверхность звезды (фотосфера) имеет температуру 6000° по Кельвину и излучает ярко-белый свет. Наивысшее значение непрерывного спектра располагается в "зеленой" зоне - 550 нм. Там же находится максимум зрительной чувствительности. Колебания оптического диапазона возникают при нагревании тел. Инфракрасные потоки поэтому также именуют тепловыми.
Чем сильнее происходит нагревание тела, тем выше частота, где располагается максимум спектра. При определенном повышении температуры наблюдается каление (свечение в видимом диапазоне). При этом сначала появляется красный цвет, затем желтый и далее. Создание и регистрация оптических потоков может происходить в биологических и химических реакциях, одна из которых применяется в фотографии. Для большинства существ, живущих на Земле, в качестве источника энергии выступает фотосинтез. Эта биологическая реакция протекает в растениях под влиянием оптического солнечного излучения.
Особенности электромагнитных волн
Свойства среды и источник оказывают влияние на характеристики потоков. Так устанавливается, в частности, временная зависимость полей, которая определяет тип потока. К примеру, при изменении расстояния от вибратора (при увеличении) радиус кривизны становится больше. В результате образуется плоская электромагнитная волна. Взаимодействие с веществом также происходит по-разному.
Процессы поглощения и излучения потоков, как правило, можно описывать при помощи классических электродинамических соотношений. Для волн оптической области и для жестких лучей тем более следует принимать во внимание их квантовую природу.
Источники потоков
Несмотря на физическую разницу, везде - в радиоактивном веществе, телевизионном передатчике, лампе накаливания - электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. Существует два основных типа источников: микроскопические и макроскопические. В первых происходит скачкообразный переход заряженных частиц с одного на другой уровень внутри молекул либо атомов.
Микроскопические источники испускают рентгеновское, гамма, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое, а в ряде случаев и длинноволновое излучение. В качестве примера последнего можно привести линию спектра водорода, которая соответствует волне в 21 см. Это явление имеет особое значение в радиоастрономии.
Источники макроскопического типа представляют собой излучатели, в которых свободными электронами проводников совершаются периодические синхронные колебания. В системах данной категории происходит генерация потоков от миллиметровых до самых длинных (в линиях электропередач).
Структура и сила потоков
С ускорением и изменяющиеся периодически токи оказывают воздействие друг на друга с определенными силами. Направление и их величина находятся в зависимости от таких факторов, как размеры и конфигурация области, в которой содержатся токи и заряды, их относительное направление и величина. Существенное влияние оказывают и электрические характеристики конкретной среды, а также изменения концентрации зарядов и распределения токов источника.
В связи с общей сложностью постановки задачи представить закон сил в виде единой формулы нельзя. Структура, называемая электромагнитным полем и рассматриваемая при необходимости в качестве математического объекта, определяется распределением зарядов и токов. Оно, в свою очередь, создается заданным источником при учете граничных условий. Условия определяются формой зоны взаимодействия и характеристиками материала. Если речь ведется о неограниченном пространстве, указанные обстоятельства дополняются. В качестве особого дополнительного условия в таких случаях выступает условие излучения. За счет него гарантируется "правильность" поведения поля на бесконечности.
Хронология изучения
Ломоносова в некоторых своих положениях предвосхищает отдельные постулаты теории электромагнитного поля: "коловратное" (вращательное) движение частиц, "зыблющаяся" (волновая) теория света, ее общность с природой электричества и т. д. Инфракрасные потоки были обнаружены в 1800 году Гершелем (английским ученым), а в следующем, 1801-м, Риттером был описан ультрафиолет. Излучение более короткого, нежели ультрафиолетовое, диапазона было открыто Рентгеном в 1895-м году, 8 ноября. Впоследствии оно получило название рентгеновского.
Влияние электромагнитных волн изучалось многими учеными. Однако первым, кто исследовал возможности потоков, сферу их применения, стал Наркевич-Иодко (белорусский научный деятель). Он изучил свойства потоков применительно к практической медицине. Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900-м году. В этот же период Планк проводил теоретические исследования свойств черного тела. В процессе изучения им была открыта квантовость процесса. Его труд стал началом развития Впоследствии было опубликовано несколько работ Планка и Эйнштейна. Их исследования привели к формированию такого понятия, как фотон. Это, в свою очередь, положило начало созданию квантовой теории электромагнитных потоков. Ее развитие продолжилось в трудах ведущих научных деятелей ХХ столетия.
Дальнейшие исследования и работы по квантовой теории электромагнитного излучения и взаимодействия его с веществом привели в итоге к образованию квантовой электродинамики в том виде, в котором она существует и сегодня. Среди выдающихся ученых, занимавшихся изучением данного вопроса, следует назвать, кроме Эйнштейна и Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонагу, Швингера, Фейнмана.
Заключение
Значение физики в современном мире достаточно велико. Практически все, что применяется сегодня в жизни человека, появилось благодаря практическому использованию исследований великих ученых. Открытие электромагнитных волн и их изучение, в частности, привели к созданию обычных, а впоследствии и мобильных телефонов, радиопередатчиков. Особое значение практическое применение таких теоретических знаний имеет в области медицины, промышленности, техники.
Такое широкое использование объясняется количественным характером науки. Все физические эксперименты опираются на измерения, сравнение свойств изучаемых явлений с имеющимися эталонами. Именно для этой цели в рамках дисциплины развит комплекс измерительных приборов и единиц. Ряд закономерностей является общим для всех существующих материальных систем. Так, например, законы сохранения энергии считаются общими физическими законами.
Науку в целом называют во многих случаях фундаментальной. Это связано, прежде всего, с тем, что прочие дисциплины дают описания, которые, в свою очередь, подчиняются законам физики. Так, в химии изучаются атомы, вещества, образованные из них, и превращения. Но химические свойства тел определяются физическими характеристиками молекул и атомов. Эти свойства описывают такие разделы физики, как электромагнетизм, термодинамика и прочие.
Общие понятия об электромагнитных волнах
На сегодняшнем уроке мы с вами будем рассматривать такую необходимую тему, как электромагнитные волны. А важной эта тема является хотя бы по тому, что вся наша современная жизнь связана с телевиденьем, радиовещанием и мобильной связью. Поэтому стоить подчеркнуть, что все это осуществляется за счет электромагнитных волн.
Теперь перейдем к более подробному рассмотрению вопроса, связанного с электромагнитными волнами и в первую очередь озвучим определение таких волн.
Как вам уже известно, волной называют распространяющееся в пространстве возмущение, то есть, если где-то какое-то возмущение произошло, и оно распространяется во все стороны, то мы можем говорить, что распространение этого возмущения это и есть не что иное, как волновое явление.
Электромагнитные волны - это такие электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, которая зависит от свойства среды. Иными словами можно сказать, что электромагнитной волной называют распространяющееся в пространстве электромагнитное поле или электромагнитное возмущение.
Давайте свое обсуждение начнем с того, что теорию электромагнитных волн электромагнитного поля впервые создал английский ученый Джеймс Максвелл. Самое интересное и любопытное в этой работе заключается в том, что оказывается электрические и магнитные поля, как вы знаете, и так как было доказано, что они существуют вместе. Но оказывается, они могут существовать и совершенно в отсутствии какого-либо вещества. Вот это очень важное заключение и было сделано в работах Джеймса Клерка Максвелла.
Оказывается, электромагнитное поле может существовать даже там, где отсутствует какое-либо вещество. Вот мы с вами говорили, что звуковые волны присутствуют лишь только там, где есть среда. То есть, колебания, происходящие с частицами, имеют способность передаваться лишь там, где находятся частицы, которые обладают способностью передавать это возмущение.
А вот, что касается электромагнитного поля, то оно может существовать там, где нет вещества, и отсутствуют какие-либо частицы. И так, электромагнитное поле существует в вакууме, значит, из этого следует, что если мы создадим определенные условия и сможем, как бы создать общее электромагнитное возмущение в пространстве, то соответственно это возмущение имеет способность распространяться по всем направлениям. И именно это будет у нас электромагнитная волна.
Первый человек, который смог произвести излучение электромагнитной волны, и прием электромагнитной волны - это был немецкий ученый Генрих Герц. Ему первому удалось создать такую установку по излучению и по приему электромагнитной волны.
Первое, что мы должны здесь сказать, что для излучения электромагнитной волны нам требуется, конечно же, достаточно быстро движущийся электрический заряд. Мы должны создать такое устройство, где будет очень бистро движущийся или ускоренно движущийся электрический заряд.
Генрих Герц, с помощью своих опытов доказал, что для получения мощной и достаточно ощутимой электромагнитной волны, движущийся электрический заряд должен свое колебание осуществлять с очень высокой частотой, то есть порядка нескольких десятков тысяч герц. Также следует подчеркнуть, что если такое колебание происходит у заряда, то вокруг него будет генерироваться переменное электромагнитное поле и распространяться во все стороны. То есть, это и будет электромагнитная волна.
Свойства электромагнитных волн
Еще необходимо отметить тот факт, что электромагнитная волна, конечно же, обладает определенными свойствами и вот об этих свойствах как раз, и было совершенно точно указано в работах Максвелла.
Следует также отметить, что свойства электромагнитных волн имеют определенные различия, а также очень сильно зависят от ее длины. В зависимости от свойств и длинны волн электромагнитные волны делятся на диапазоны. Они имеют довольно таки условную шкалу, так как соседние диапазоны имеют свойства накладываться друг на друга.
Не лишним будет знать и то, что некоторые области обладают общими свойствами. К таким свойствам относятся:
Способность проникновения;
высокая скорость распространения в веществе;
влияние на человеческий организм, как положительное, так и отрицательное и т.д.
К разновидностям электромагнитных волн можно отнести, как радиоволны, ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, видимый свет, а также рентгеновское, гамма-излучение и другие.
А теперь давайте внимательно рассмотрит приведенную внизу таблицу, и подробнее изучим, как можно классифицировать электромагнитные волны, какие бывают виды излучений, источники излучения, а также их частоту:
Интересные факты о электромагнитных волнах
Наверное, ни для кого не будет секретом тот факт, что пространство, которое нас окружает, пронизано электромагнитным излучением. Такое излучение связано не только с телефонными и радиоантеннами, но и окружающими нас телами, Землей, Солнцем и звездами. В зависимости от частоты колебаний электромагнитные волны могут иметь различные названия, но суть их сходна. К таким электромагнитным волнам можно отнести, как радиоволны, так и инфракрасное излучение, и видимый свет, и рентгеновские лучи, а так же лучи биополя.
Такой безграничный источник энергии, как электромагнитное поле является причиной появления колебания электрических зарядов атомов и молекул. Из этого следует, что колеблясь, заряд движется с ускорением и при этом излучает электромагнитные волны.
Воздействие электромагнитных волн на здоровье человека
Уже много лет ученные обеспокоены проблемой влияния электромагнитных полей на здоровье человека, животных и растений и поэтому много времени посвящают исследованиям и изучению этой проблемы.
Наверное, каждый из вас бывал на дискотеках и обращал внимание на то, что под действием ультрафиолетовых ламп светлая одежда начинала светиться. Такой вид излучения не представляет опасности для живых организмов.
А вот посещая солярий или используя в медицинских целях ультрафиолетовые лампы необходимо использовать защиту для глаз, так как такое воздействие может вызывать кратковременную потерю зрения.
Так же при использовании ультрафиолетовых бактерицидных ламп, которые применяют для обеззараживания помещений, необходимо быть крайне осторожными и при их применении необходимо покинуть помещение, так как они отрицательно влияют на кожу человека, а также на растения, вызывая, ожег листьев.
Но кроме окружающих нас источников излучения и различных приборов, организм человека также имеет свои электрические и магнитные поля. Но также следует знать, что в человеческом организме на протяжении его жизни электромагнитные поля имеют свойство постоянно меняться.
Чтобы определить электромагнитное поле человека используют такой точный прибор, как энцефалограф. С помощью этого прибора можно с высокой точностью измерить электромагнитное поле человека и определить его активность в коре головного мозга. Благодаря появлению такого прибора, как энцефалограф, появилась возможность для диагностики различные заболевания даже на ранней стадии.
М. Фарадей ввел понятие поля:
вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,
вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.
В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.
Рисунок 2.7 - Вихревое электрическое поле
где,
- вектор напряженности электрического
поля,
- вектор магнитной индукции.
Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.
В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле.
Возникла идея о едином электромагнитном поле.
Рисунок 2.8 - Единое электромагнитное поле.
Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.
Электромагнитное поле - это особая форма материи - совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:
Проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;
Распространяется с большой, но конечной скоростью;
Существует независимо от нашей воли и желаний.
При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).
Главное условие возникновения электромагнитной волны - ускоренное движение электрических зарядов.
Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.
Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380...780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.
Рисунок 2.9 - Спектр электромагнитных волн
Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн - провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.
Ра́дио (лат. radio - излучаю, испускаю лучи ← radius - луч) - разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.
Радиоволны (от радио...), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6×10 12 Гц).
Радиоволны - это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м).
λ=300/f, гдеf - частота (МГц)
Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании - радиоволны.
«Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор - устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты - радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10- 11 м.
Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода.
Электромагнитная
волна
–
распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле (колебания
векторов
).
Вблизи заряда электрическое и магнитное
поля изменяются со сдвигом фаз p/2.
Рисунок 2.10 - Единое электромагнитное поле.
На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно.
Рисунок 2.11 - Синфазное изменение электрического и магнитного полей.
Электромагнитная
волна поперечна
.
Направление
скорости электромагнитной волны
совпадает с направлением движения
правого винта при повороте ручки
буравчика вектора
к вектору
.
Рисунок 2.12 - Электромагнитная волна.
Причем
в электромагнитной волне выполняется
соотношение
,
где с – скорость света в вакууме.
Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.
Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты . Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты.
Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).
Закрытый
колебательный контур электромагнитных
волн не излучает: вся энергия электрического
поля конденсатора переходит в энергию
магнитного поля катушки. Частота
колебаний определяется параметрами
колебательного контура:
.
Рисунок 2.13 - Колебательный контур.
Для
увеличения частоты необходимо уменьшить
L и C, т.е. развернуть катушку до прямого
провода и, т.к.
,
уменьшить площадь пластин и развести
их на максимальное расстояние. Отсюда
видно, что мы получим, по существу, прямой
проводник.
Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник.
Рисунок 2.14 - Вибратор Герца.
Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры.
Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3 . 10 8 м/с.
Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн.
Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света.
Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн.
С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода.
Таким образом, можно определить, что радиоволна - это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц.
Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т . Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т . За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние
λ = υТ (1)
Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из (1), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f = 1 / T , то длина волны λ = υ / f .
Радиолиния включает в себя следующие основные части:
Передатчик
Приемник
Среда, в которой распространяются радиоволны.
Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии.
Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).
Технический прогресс имеет и обратную сторону. Глобальное использование различной техники, работающей от электричества, стало причиной загрязнения, которому дали название – электромагнитный шум. В этой статье мы рассмотрим природу этого явления, степень его воздействия на организм человека и меры защиты.
Что это такое и источники излучения
Электромагнитное излучение – это электромагнитные волны, которые возникают при возмущении магнитного или электрического поля. Современная физика трактует этот процесс в рамках теории корпускулярно-волнового дуализма. То есть, минимальной порцией электромагнитного излучения является квант, но в тоже время оно имеет частотно-волновые свойства, определяющие его основные характеристики.
Спектр частот излучения электромагнитного поля, позволяет классифицировать его на следующие виды:
- радиочастотное (к ним относятся радиоволны);
- тепловое (инфракрасное);
- оптическое (то есть, видимое глазом);
- излучение в ультрафиолетовом спектре и жесткое (ионизированное).
Детальную иллюстрацию спектрального диапазона (шкала электромагнитных излучений), можно увидеть на представленном ниже рисунке.
Природа источников излучения
В зависимости от происхождения, источники излучения электромагнитных волн в мировой практике принято классифицировать на два вида, а именно:
- возмущения электромагнитного поля искусственного происхождения;
- излучение, исходящее от естественных источников.
Излучения, исходящие от магнитного поля поле вокруг Земли, электрических процессов в атмосфере нашей планеты, ядерного синтеза в недрах солнца – все они естественного происхождения.
Что касается искусственных источников, то они побочное явление, вызванное работой различных электрических механизмов и приборов.
Исходящее от них излучение, может быть низкоуровневым и высокоуровневым. От уровней мощности источников полностью зависит степень напряженности излучения электромагнитного поля.
В качестве примера источников с высоким уровнем ЭМИ можно привести:
- ЛЭП, как правило, высоковольтные;
- все виды электротранспорта, а также сопутствующая ему инфраструктура;
- теле- и радиовышки, а также станции передвижной и мобильной связи;
- установки для преобразования напряжения электрической сети (в частности, волны исходящие от трансформатора или распределяющей подстанции);
- лифты и другие виды подъемного оборудования, где используется электромеханическая силовая установка.
К типичным источникам, излучающим низкоуровневые излучения можно отнести следующее электрооборудование:
- практически все устройства с ЭЛТ дисплеем (например: платежный терминал или компьютер);
- различные типы бытовой техники, начиная от утюгов и заканчивая климатическими системами;
- инженерные системы, обеспечивающие подачу электричества к различным объектам (подразумеваются не только кабель электропередач, а сопутствующее оборудование, например розетки и электросчетчики).
Отдельно стоит выделить специальное оборудование, используемое в медицине, которое испускает жесткое излучение (рентгеновские аппараты, МРТ и т.д.).
Влияние на человека
В ходе многочисленных исследований радиобиологи пришли к неутешительному выводу – длительное излучение электромагнитных волн может стать причиной «взрыва» болезней, то есть оно вызывает бурное развитие паталогических процессов в организме человека. Причем многие из них вносят нарушения на генетическом уровне.
Видео: Как влияет электромагнитное излучение на людей.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q
Это происходит из-за того, что у электромагнитного поля высокий уровень биологической активности, что негативно отражается живых организмах. Фактор влияния зависит от следующих составляющих:
- характер производимого излучения;
- как долго и с какой интенсивностью оно продолжается.
Влияние на здоровье человека излучения, у которого электромагнитная природа, напрямую зависит от локализации. Она может быть как местного, так и общего характера. В последнем случае происходит масштабное облучение, например излучение, производимое ЛЭП.
Соответственно, под местным облучением подразумевается воздействие на определенные участки тела. Исходящие от электронных часов или мобильного телефона электромагнитные волны, яркий пример локального воздействия.
Отдельно необходимо отметить термальное воздействие высокочастотного электромагнитного излучения на живую материю. Энергия поля преобразуется в тепловую энергию (за счет вибрации молекул), на этом эффекте основа работа промышленных СВЧ излучателей, используемых для нагрева различных веществ. В отличие от пользы в производственных процессах, термальное воздействие на организм человека может оказаться пагубным. С точки зрения радиобиологии находиться возле «теплого» электрооборудования не рекомендуется.
Необходимо принять во внимание, что в быту мы регулярно подвергаемся облучению, причем это происходит не только на производстве, а и дома или при перемещении по городу. Со временем биологический эффект накапливается и усиливается. С ростом электромагнитного зашумления возрастает количество характерных заболеваний мозга или нервной системы. Заметим, что радиобиология довольно молодая наука, поэтому вред наносимый живым организмам от электромагнитного излучения досконально не изучен.
На рисунке виден, уровень электромагнитных волн, производимых обычными, используемыми в быту приборами.
Обратите внимание, что уровень напряженности поля существенно снижается на расстоянии. То есть, чтобы уменьшит его действие, достаточно отдалиться от источника на определенное расстояние.
Формула для расчета нормы (нормирование) излучения электромагнитного поля указана в соответствующих ГОСТах и СанПиНах.
Защита от излучения
На производстве в качестве средств, защищающих от облучения, активно применяются поглощающие (защитные) экраны. К сожалению, защититься от излучения электромагнитного поля при помощи такого оборудования в домашних условиях не представляется возможным, поскольку оно на это не рассчитано.
- чтобы свести воздействие излучения электромагнитного поля практически к нулю, следует отойти от ЛЭП, радио- и телевышек на расстояние не менее 25 метров (необходимо учитывать мощность источника);
- для ЭЛТ монитора и телевизора это расстояние значительно меньше – около 30 см;
- электронные часы не следует ставить близко подушке, оптимальное расстояние для них более 5 см;
- что касается для радио и сотовых телефонов, подносить их ближе, чем на 2,5 сантиметра не рекомендуется.
Заметим, что многие знают, как опасно стоять рядом с высоковольтными линиями электропередач, но при этом большинство людей не придают значения, обычным бытовым электроприборам. Хотя достаточно поставить системный блок на пол или переместить подальше, и вы обезопасите себя и своих близких. Советуем проделать это, после чего замерять фон от компьютера используя детектор излучения электромагнитного поля, чтобы наглядно убедиться в его снижении.
Этот совет также касается и размещения холодильника, многие ставят его неподалеку от кухонного стола, практично, но небезопасно.
Никакая таблица не сможет указать точное безопасное расстояние от конкретного электрооборудования, поскольку излучения может варьироваться, как в зависимости от модели устройства, так и страны производителя. В настоящий момент нет единого международного стандарта, поэтому в разных странах нормы могут иметь существенные расхождения.
Точно определить интенсивность излучения можно при помощи специального прибора – флюксметра. Согласно принятым в России нормам, максимально допустимая доза не должна превышать 0,2мкТл. Рекомендуем произвести замер в квартире, используя указанный выше прибор для измерения степени излучения электромагнитного поля.
Флюксметр – прибор для измерения степени излучения электромагнитного поля
Старайтесь сократить время, когда вы подвергаетесь облучению, то есть, не находитесь долго рядом с работающими электротехническими приборами. Например, совсем не обязательно постоянно стоять у электроплиты или СВЧ-печки во время приготовления пищи. Касательно электрооборудования можно заметить, что теплое, не всегда означает безопасное.
Всегда выключайте неиспользуемые электроприборы. Люди зачастую оставляют включенными различные устройства, не учитывая, что в это время от электротехники исходит электромагнитное излучение. Выключите ноутбук, принтер или другое оборудование, ненужно лишний раз подвергаться облучению, помните про свою безопасность.