Шкала електромагнітних хвиль. Конспект уроку "Електромагнітна хвиля

Електромагнітні хвилі, якщо вірити фізиці, є одними з найзагадковіших. Вони енергія фактично зникає в нікуди, з'являється незрозуміло звідки. Більше жодного такого об'єкта немає у всій науці. Як же відбуваються всі ці чудові взаємоперетворення?

Електродинаміка Максвелла

А почалося все з того, що вчений Максвелл у далекому 1865, спираючись на роботи Фарадея, вивів рівняння електро магнітного поля. Сам Максвелл вважав, що його рівняння описували кручення та натяг хвиль в ефірі. Через двадцять три роки Герц експериментально створив такі обурення в середовищі, причому вдалося не лише узгодити їх із рівняннями електродинаміки, а й отримати закони, які керують поширенням цих збурень. Виникла цікава тенденція оголошувати будь-які обурення, які мають електромагнітний характер хвилями Герца. Однак ці випромінювання – не єдиний спосіб здійснення передачі енергії.

Бездротовий зв'язок

На сьогоднішній день до можливим варіантамздійснення такого бездротового зв'язку відносять:

Електростатичний зв'язок, який також називається ємнісним;

індукційну;

Токову;

Зв'язок Тесла, тобто зв'язок хвиль електронної щільності по провідних поверхнях;

Найширший спектр найпоширеніших носіїв, які називаються електромагнітні хвилі – від наднизьких частот до гамма-випромінювання.

Варто розглянути ці види зв'язку докладніше.

Електростатичний зв'язок

Два диполя є пов'язаними електричними силами у просторі, що є наслідком закону Кулона. Від електромагнітних хвиль даний типзв'язку відрізняється можливістю зв'язати диполі при розташуванні на одній лінії. Зі збільшенням відстаней сила зв'язку згасає, а також спостерігається сильний впливрізних перешкод.

Індукційний зв'язок

Заснована на магнітних полях розсіювання індуктивності. Спостерігається між об'єктами, які мають індуктивність. Застосування її досить обмежене через близьку дію.

Струмовий зв'язок

Завдяки струмам розтікання у провідному середовищі може виникнути певна взаємодія. Якщо через термінали (пара контактів) пропустити струми, то ці струми можна виявити на значній відстані від контактів. Саме це називається ефектом розтікання струмів.

Зв'язок Тесла

Знаменитий фізик Нікола Тесла винайшов зв'язок за допомогою хвиль на провідній поверхні. Якщо в якомусь місці площині порушити щільність носія заряду, то ці носії почнуть рух, який прагне відновлення рівноваги. Так як носії мають інерційну природу, то відновлення носить хвильовий характер.

Електромагнітний зв'язок

Випромінювання електромагнітних хвиль відрізняється величезним далекодією, оскільки їх амплітуда обернено пропорційна відстані до джерела. Саме цей спосіб бездротового зв'язку набув найбільшого поширення. Але що таке електромагнітні хвилі? Для початку необхідно здійснити невеликий екскурс в історію їхнього відкриття.

Як з'явилися електромагнітні хвилі?

Почалося все у 1829 році, коли американський фізик Генрі виявив обурення електричних розрядів в експериментах із лейденськими банками. У 1832 фізиком Фарадеєм було висунуто припущення про існування такого процесу, як електромагнітні хвилі. Максвелл у 1865 році створив свої знамениті рівняння електромагнетизму. Наприкінці дев'ятнадцятого століття було багато успішних спроб створення бездротового зв'язку за допомогою електростатичної та електромагнітної індукції. Знаменитий винахідник Едісон вигадав систему, яка дозволяла пасажирам залізницівідправляти та отримувати телеграми прямо під час руху поїзда. 1888 року Г. Герц однозначно довів те, що електромагнітні хвилі з'являються за допомогою пристрою, названого вібратором. Герц здійснив досвід передачі електромагнітного сигналу на відстань. В 1890 інженер і фізик Бранлі з Франції винайшов пристрій для реєстрації електромагнітних випромінювань. Згодом цей прилад був названий "радіокондуктором" (когерер). У 1891-1893 роках Нікола Тесла описав основні принципи здійснення передачі сигналів на великі відстані та запатентував щоглу антену, яка була джерелом електромагнітних хвиль. Подальші заслуги у вивченні хвиль та технічної реалізації їх отримання та застосування належать таким знаменитим фізикам та винахідникам, як Попов, Марконі, де Мор, Лодж, Мірхед та багатьом іншим.

Поняття «електромагнітна хвиля»

Електромагнітна хвиля - це явище, яке поширюється у просторі з певною кінцевою швидкістю і являє собою змінне електричне та магнітне поле. Так як магнітні та електричні поля нерозривно пов'язані один з одним, то вони утворюють електромагнітне поле. Також можна сказати, що електромагнітна хвиля - це обурення поля, причому під час свого поширення енергія, яка є у магнітного поля, переходить в енергію електричного поля і назад, згідно електродинаміки Максвелла. Зовні це схоже на поширення будь-якої іншої хвилі в будь-якому іншому середовищі, проте є й суттєві відмінності.

Відмінність електромагнітних хвиль від інших?

Енергія електромагнітних хвиль поширюється у досить незрозумілому середовищі. Щоб порівнювати ці хвилі та будь-які інші, необхідно зрозуміти, про яке середовище поширення йдеться. Передбачається, що внутрішньоатомний простір заповнює електричний ефір - специфічне середовище, яке є абсолютним діелектриком. Усі хвилі під час поширення виявляють перехід кінетичної енергії в потенційну та назад. При цьому у цих енергій зрушені максимум у часі та просторі щодо один одного на одну четверту повного періоду хвилі. Середня енергія хвилі при цьому, будучи сумою потенційної та кінетичної енергії, є постійною величиною. Але з електромагнітними хвилями справа інакша. Енергії та магнітного та електричного полядосягають максимальних значень одночасно.

Як виникає електромагнітна хвиля?

Матерія електромагнітної хвилі – це електричне поле(Ефір). Поле, що рухається, є структурованим і складається з енергії його руху та електричної енергії самого поля. Тому потенційна енергія хвилі пов'язана з кінетичною та синфазнаю. Природа електромагнітної хвилі є періодичним електричним полем, яке знаходиться в стані поступального руху в просторі і рухається зі швидкістю світла.

Струми усунення

Є й інший спосіб пояснити, що являють собою електромагнітні хвилі. Передбачається, що в ефірі виникають струми зміщення під час руху неоднорідних електричних полів. Виникають вони, звісно, лише нерухомого стороннього спостерігача. У момент, коли такий параметр, як напруженість електричного поля, досягає свого максимуму, струм зміщення в даній точці простору припиниться. Відповідно, при мінімумі напруженості виходить зворотна картина. Цей підхід проясняє хвильову природу електромагнітного випромінювання, оскільки енергія поля електричного виявляється зсунутою однією четверту періоду стосовно струмів усунення. Тоді можна сказати, що електричне збурення, а точніше енергія збурення, трансформується в енергію струму зміщення і назад і поширюється хвильовим чином діелектричної середовищі.

Електромагнітні хвилі – це результат багаторічних суперечок та тисяч експериментів. Доказ наявності сил природного походження, здатних перевернути суспільство, що склалося. Це фактичне прийняття простої істини – ми надто мало знаємо про світ, де живемо.

Фізика – королева серед наук про природу, здатна дати відповіді питання походження як життя, а й світу. Вона дає вченим здатність вивчати електричне та магнітне поле, взаємодія яких породжує ЕМВ (електромагнітні хвилі).

Що таке електромагнітна хвиля

Нещодавно на екрани нашої країни вийшов фільм «Війна струмів» (2018), де з ноткою художньої вигадки розповідається про суперечку двох великих учених Едісона та Тесли. Один намагався довести вигоду від постійного струму, інший від змінного. Ця тривала битва закінчилася лише сьомого року двадцять першого століття.

На самому початку «битви» інший вчений, займаючись опрацюванням теорії відносності, описував електрику та магнетизм як схожі явища.

У тридцятому році дев'ятнадцятого століття фізик англійського походження Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції та запровадив термін єдності поля електричного та магнітного. Також він стверджував, що рух у цьому полі обмежений швидкістю світла.

Трохи пізніше теорія англійського вченого Максвелла розповіла, що електрика викликає магнітний ефект, а магнетизм — поява електричного поля. Оскільки обидва ці поля рухаються у просторі та часі, то утворюють обурення – тобто електромагнітні хвилі.

Простіше кажучи електромагнітна хвиля – це просторове обурення електромагнітного поля.

Експериментально існування ЕМВ довів німецький вчений Герц.

Електромагнітні хвилі, їх властивості та характеристика

Електромагнітні хвилі характеризуються такими факторами:

довжиною (досить широким діапазоном);
частотою;
інтенсивністю (або амплітудою коливання);
кількістю енергії.

Основна властивість усіх електромагнітних випромінювань - це величина довжини хвилі (у вакуумі), яка зазвичай вказується в нанометрах видимого світлового спектра.

Кожен нанометр представляє тисячну частину мікрометра та вимірюється відстанню між двома послідовними піками (вершинами).

Відповідна частота випромінювання хвилі – це число синусоїдальних коливань та зворотна пропорційність довжині хвилі.

Частота зазвичай вимірюється у Герцах. Таким чином, довші хвилі відповідають нижчій частоті випромінювання, а короткі — високій частоті випромінювання.

Основні властивості хвиль:

заломлення;
відображення;
поглинання;
інтерференція.

Швидкість електромагнітної хвилі

Фактична швидкість поширення електромагнітної хвилі залежить від матеріалу, яким володіє середовище, його оптичної щільності та наявності такого фактора як тиск.

Крім того, різні матеріалимають різну щільність«упаковування» атомів, чим ближче вони розташовані, тим менша відстань і вища швидкість. Внаслідок цього швидкість електромагнітної хвилі залежить від матеріалу, через який вона рухається.

Подібні експерименти ставляться у адронному колайдері, де головним інструментом впливу є заряджена частка. Вивчення електромагнітних явищвідбувається там на квантовому рівні, коли світло розкладається на найдрібніші частинки – фотони. Але квантова фізика – це окрема тема.

Згідно з теорією відносності, найбільша швидкість поширення хвилі не може перевищувати світлову.Кінцівку швидкісної межі у своїх працях описав Максвелл, пояснюючи це наявністю нового поля – ефір. Сучасна офіційна наука такого взаємозв'язку поки що не вивчала.

Електромагнітне випромінювання та його види

Електромагнітне випромінюванняскладається з електромагнітних хвиль, які спостерігаються у вигляді коливання електричного та магнітного полів, що поширюються на швидкості світла (300 км за секунду у вакуумі).

Коли ЕМ-випромінювання взаємодіє з речовиною, його поведінка якісно змінюється зі зміною частоти. Чому воно перетворюється на:

Радіовипромінювання.На радіочастотах та мікрохвильових частотах ем-випромінювання взаємодіє з речовиною в основному у вигляді загального набору зарядів, які розподілені за великою кількістю порушених атомів.
Інфрачервоне випромінювання.На відміну від низькочастотного радіовипромінювання та НВЧ-випромінювання інфрачервоний випромінювач зазвичай взаємодіє з диполями, присутніми в окремих молекулах, які в міру вібрації змінюються на кінцях хімічного зв'язкуна атомному рівні.
Видимо світлове випромінювання.У міру того, як частота збільшується у видимий ряд, фотони мають достатню енергію для зміни скріпленої структури деяких окремо взятих молекул.
Ультрафіолетове випромінювання.Частота збільшується. В ультрафіолетових фотонах тепер достатньо енергії (понад три вольти), щоб впливати подвійно на зв'язки молекул, постійно хімічно їх перебудовуючи.
Іонізуюче випромінювання.На самих високих частотах та найменших по довжині хвилі. Поглинання цих променів матерією зачіпає весь гамма-спектр. Найвідоміший ефект – радіація.

Що є джерелом електромагнітних хвиль

Світ, згідно з молодою теорією про походження всього, виник завдяки імпульсу. Він визволив колосальну енергію, яку назвали великим вибухом. Так в історії всесвіту з'явилася перша ем-хвиля.

В даний час до джерел формування збурень належать:

емв випромінює штучний вібратор;
результат коливання атомних груп чи частин молекул;
якщо відбувається дія на зовнішню оболонку речовини (на атомно-молекулярному рівні);
ефект схожий зі світловим;
при ядерному розпаді;
наслідок гальмування електронів.

Шкала та застосування електромагнітних випромінювань

Під шкалою випромінювання розуміється великий діапазон частоти хвилі від 3·10 6 ÷10 -2 до 10 -9 ÷ 10 -14 .

Кожна частина електромагнітного спектру має велику область застосування в нашому повсякденному житті:

Хвилі маленької довжини (мікрохвилі). Дані електрохвилі використовуються як супутниковий сигнал, оскільки здатні пройти атмосферу землі. Також трохи посилений варіант використовується для розігріву та приготування на кухні – це мікрохвильова піч. Принцип приготування простий – під дією мікрохвильового випромінювання поглинаються та прискорюються молекули води, через що страва нагрівається.
Довгі обурення використовують у радіотехнологіях (радіохвилі). Їх частота не дозволяє пройти хмари та атмосферу, завдяки чому нам доступне FM-радіо та телебачення.
Інфрачервоне обурення безпосередньо з теплом. Побачити його практично неможливо. Спробуйте помітити без спеціального обладнання промінь з пульта керування телевізора, музичного центру або магнітоли в машині. Прилади, здатні зчитувати подібні хвилі, використовуються в арміях країн (прилад нічного бачення). Також у індуктивних плитах на кухнях.
Ультрафіолет також стосується тепла. Найпотужніший природний «генератор» такого випромінювання – це сонце. Саме через дію ультрафіолету на шкірі людини утворюється засмага. У медицині цей тип хвиль використовується для дезінфекції інструментів, вбиваючи мікроби та .
Гамма-промені - це найпотужніший тип випромінювання, в якому сконцентрувалося короткохвильове обурення з великою частотою. Енергія, укладена у цю частину електромагнітного спектру, дає променям більшу проникаючу здатність. Застосовується в ядерній фізиці – мирна, ядерна зброя – бойове застосування.

Вплив електромагнітних хвиль на здоров'я людини

Вимірювання впливу ЕМВ на людину - це обов'язок вчених. Але не потрібно бути фахівцем, щоб оцінити інтенсивність іонізуючого випромінювання – воно провокує зміни на рівні ДНК людини, що спричиняє такі серйозні захворювання як онкологія.

Не дарма згубний вплив катастрофи ЧАЕС вважається однією з найнебезпечніших для природи. Декілька квадратних кілометрів ніколи гарної територіїстали зоною повного відчуження. До кінця століття вибух на ЧАЕС становить небезпеку, поки не закінчиться напіврозпад радіонуклідів.

Деякі типи емв (радіо, інфрачервоні, ультрафіолет) не завдають людині сильної шкоди і є лише дискомфортом. Адже магнітне поле землі нами практично не відчувається, а от емв від мобільного телефонаможе викликати головний біль(Вплив на нервову систему).

Для того, щоб убезпечити здоров'я від електромагнетизму, слід просто використовувати міри обережності. Замість сотень годин за комп'ютерною гроювийти погуляти.

Відкриття електромагнітних хвиль - чудовий приклад взаємодії експерименту та теорії. На ньому видно, як фізика поєднала, здавалося б, абсолютно різнорідні властивості - електрику та магнетизм, - виявивши в них різні сторони одного і того ж фізичного явища - електромагнітної взаємодії. На сьогодні це одна з чотирьох відомих фундаментальних фізичних взаємодій, до яких також відносяться сильна і слабка ядерна взаємодія та гравітація. Вже побудовано теорію електрослабкої взаємодії, яка з єдиних позицій описує електромагнітні та слабкі ядерні сили. Є й наступна поєднувальна теорія - квантова хромодинаміка - яка охоплює електрослабку і сильну взаємодію, але її точність дещо нижча. Описати Усефундаментальні взаємодії з єдиних позицій поки що не вдається, хоча в цьому напрямі ведуться інтенсивні дослідження в рамках таких напрямів фізики, як теорія струн та квантова гравітація.

Електромагнітні хвилі були передбачені теоретично великим англійським фізиком Джеймсом Кларком Максвеллом (ймовірно, вперше у 1862 році в роботі «Про фізичні силові лінії», хоча докладний опистеорії вийшло 1867 року). Він старанно і з величезною повагою намагався перекласти на строгу математичну мову трохи наївні картинки Майкла Фарадея, що описують електричні та магнітні явища, а також результати інших вчених. Упорядкувавши однаково всі електричні та магнітні явища, Максвелл виявив ряд протиріч та відсутність симетрії. Відповідно до закону Фарадея змінні магнітні поля породжують електричні поля. Але не було відомо, чи породжують змінні електричні поля – магнітні. Позбутися протиріччя і відновити симетрію електричного і магнітного полів Максвеллу вдалося, ввівши до рівняння додатковий член, який описував виникнення магнітного поля за зміни електричного. На той час завдяки дослідам Ерстеда вже було відомо, що постійний струмстворює навколо провідника постійне магнітне поле. Новий член описував інше джерело магнітного поля, але його можна було уявити як якийсь уявний електричний струм, який Максвел назвав струмом усунення, щоб відрізнити від звичайного струму у провідниках та електролітах - струму провідності. У результаті вийшло, що змінні магнітні поля породжують електричні поля, а змінні - магнітні. І тоді Максвелл зрозумів, що в такій зв'язці коливані електричне і магнітне поля можуть відриватися від провідників, що їх породжують, і рухатися через вакуум з певною, але дуже великою швидкістю. Він вирахував цю швидкість, і вона виявилася близько трьохсот тисяч кілометрів на секунду.

Приголомшений отриманим результатом, Максвелл пише Вільяму Томсону (лорду Кельвіну, який, зокрема, ввів абсолютну шкалу температур): «Швидкість поперечних хвильових коливань у нашому гіпотетичному середовищі, обчислена з електромагнітних дослідів Кольрауша і Вебера, настільки точно збігається оптичних досвідів Фізо, що ми навряд чи може відмовитися від висновку, що світло складається з поперечних коливань того ж самого середовища, яке є причиною електричних та магнітних явищ». І далі в листі: «Я отримав свої рівняння, живучи в провінції і не підозрюючи про близькість знайденої мною швидкості поширення магнітних ефектів до швидкості світла, тому я думаю, що у мене є всі підстави вважати магнітне і світлоносне середовище як одне і те ж середовище ...»

Рівняння Максвелла далеко виходять за рамки шкільного курсу фізики, але вони такі красиві і лаконічні, що їх варто розмістити на видному місці в кабінеті фізики, адже більшість значущих для людини явищ природи вдається описати за допомогою кількох рядків цих рівнянь. Так стискається інформація, коли поєднуються раніше різнорідні факти. Ось один із видів рівнянь Максвелла в диференціальному поданні. Помилуйтесь.

Хочеться підкреслити, що з розрахунків Максвелла виходило бентежне наслідок: коливання електричного та магнітного полів – поперечні (що він сам весь час підкреслював). А поперечні коливання поширюються лише у твердих тілах, але не рідинах і газах. На той час було надійно виміряно, що швидкість поперечних коливань у твердих тілах (просто швидкість звуку) тим вище, ніж, грубо кажучи, твердіше середовище (що більше модуль Юнга і менше щільність) і може досягати кількох кілометрів на секунду. Швидкість поперечної електромагнітної хвилі була майже сто разів вищою, ніж швидкість звуку в твердих тілах. А слід зауважити, що характеристика жорсткості входить до рівняння швидкості звуку у твердому тілі під коренем. Виходило, що середовище, якою йдуть електромагнітні хвилі (і світло), має жахливі характеристики пружності. Виникло вкрай важке запитання: «Як же через таке тверде середовище рухаються інші тіла і не відчувають його?» Гіпотетичне середовище назвали - ефіром, приписавши йому одночасно дивні і, взагалі кажучи, взаємовиключні властивості - величезну пружність та надзвичайну легкість.

Роботи Максвелла спричинили шок серед учених-сучасників. Сам Фарадей зі здивуванням писав: «Спочатку я навіть злякався, коли побачив таку математичну силу, застосовану до питання, але потім здивувався, бачачи, що це питання витримує настільки добре». Незважаючи на те, що погляди Максвелла перекидали усі відомі на той час уявлення про поширення поперечних хвиль і про хвилі взагалі, прозорливі вчені розуміли, що збіг швидкості світла та електромагнітних хвиль - фундаментальний результат, який говорить, що саме тут на фізику чекає основний прорив.

На жаль, Максвел помер рано і не дожив до надійного експериментального підтвердження своїх розрахунків. Міжнародна наукова думка змінилася в результаті дослідів Генріха Герца, який через 20 років (1886–89) у серії експериментів продемонстрував генерацію та прийом електромагнітних хвиль. Герц не тільки в тиші лабораторії отримав правильний результат, але пристрасно та безкомпромісно захищав погляди Максвелла. Причому він не обмежився експериментальним доказом існування електромагнітних хвиль, але й досліджував їх основні властивості (віддзеркалення від дзеркал, заломлення у призмах, дифракцію, інтерференцію тощо), показавши повну тотожність електромагнітних хвиль зі світлом.

Цікаво, що за сім років до Герца, в 1879 англійський фізик Девід Едвард Юз (Хьюз - D. E. Hughes) теж продемонстрував перед іншими великими вченими (серед них був також блискучий фізик і математик Георг-Габріель Стокс) ефект поширення електромагнітних хвиль у повітрі. В результаті обговорень вчені дійшли висновку, що вбачають явище електромагнітної індукції Фарадея. Юз засмутився, не повірив собі і опублікував результати лише 1899 року, коли теорія Максвелла-Герца стала загальноприйнятою. Цей приклад говорить, що в науці наполегливе поширення та пропаганда отриманих результатів має часто не менше значення, ніж сам науковий результат.

Генріх Герц так підсумував результати своїх експериментів: «Описані експерименти, як, принаймні, здається мені, усувають сумніви щодо тотожності світла, теплового випромінювання та електродинамічного хвильового руху».

Електромагнітні хвилі класифікуються по довжині хвилі або пов'язаної з нею частотою хвилі f. Зазначимо також, що ці параметри характеризують як хвильові, а й квантові властивості електромагнітного поля. Відповідно в першому випадку електромагнітна хвиля описується класичними законами, що вивчаються у цьому курсі.

Розглянемо поняття діапазону електромагнітних хвиль. Спектр електромагнітних хвильназивається смуга частот електромагнітних хвиль, що у природі.

Спектр електромагнітного випромінювання у порядку збільшення частоти становлять:

Різні ділянки електромагнітного спектра відрізняються за способом випромінювання та прийому хвиль, що належать тій чи іншій ділянці спектру. З цієї причини між різними ділянками електромагнітного спектру немає різких меж, але кожен діапазон обумовлений своїми особливостями і превалюванням своїх законів, що визначаються співвідношеннями лінійних масштабів.

Радіохвилі вивчає класична електродинаміка. Інфрачервоне світлове та ультрафіолетове випромінювання вивчає як класична оптика, так і квантова фізика. Рентгенівське та гамма-випромінювання вивчається у квантовій та ядерній фізиці.

Розглянемо спектр електромагнітних хвиль докладніше.

Низькочастотні хвилі

Низькочастотні хвилі є електромагнітними хвилями, частота коливань яких не перевищує 100 КГц). Саме цей діапазон частот зазвичай використовується в електротехніці. У промисловій електроенергетиці використовується частота 50 Гц, де здійснюється передача електричної енергії лініями і перетворення напруг трансформаторними пристроями. В авіації та наземному транспорті часто використовується частота 400 Гц, яка дає переваги за вагою електричних машин та трансформаторів у 8 разів у порівнянні з частотою 50 Гц. В імпульсних джерелах живлення останніх поколінь використовуються частоти трансформування змінного струмуодиниці та десятки кГц, що робить їх компактними, енергонасиченими.
Корінною відмінністю низькочастотного діапазону від більш високих частот є падіння швидкості електромагнітних хвиль пропорційно до кореня квадратного їх частоти від 300 тис. км/с при 100 кГц до приблизно 7 тис км/с при 50 Гц.

Радіохвилі

Радіохвилі є електромагнітними хвилями, довжини яких перевищують 1 мм (частота менше 3 10 11 гц = 300 Ггц) і менше 3 км (вище 100 кГц).

Радіохвилі поділяються на:

1. Довгі хвилі в інтервалі довжин від 3 км до 300 м (частота в діапазоні 105 гц - 106 гц = 1 МГц);

2. Середні хвилі в інтервалі довжин від 300 м до 100 м (частота в діапазоні 106 гц -3 * 106 гц = 3мгц);

3. Короткі хвилі в інтервалі довжин хвиль від 100м до 10м (частота в діапазоні 310 6 гц-310 7 гц = 30мгц);

4. Ультракороткі хвилі з довжиною хвилі менше 10м (частота більша за 310 7 гц=30Мгц).

Ультракороткі хвилі у свою чергу поділяються на:

А) метрові хвилі;

Б) сантиметрові хвилі;

В) міліметрові хвилі;

Хвилі з довжиною хвилі менше, ніж 1 м (частота менше ніж 300мгц) називаються мікрохвилями або хвилями надвисоких частот (НВЧ - хвилі).

Через великі значення довжин хвиль радіодіапазону проти розмірами атомів поширення радіохвиль можна розглядати без урахування атомістичного будови середовища, тобто. феноменологічно, як заведено при побудові теорії Максвелла. Квантові властивості радіохвиль виявляються лише найкоротших хвиль, прилеглих до інфрачервоному ділянці спектра і за поширенні т.зв. надкоротких імпульсів з тривалістю порядку 10 -12 сек- 10 -15 сек, порівнянної з часом коливань електронів усередині атомів та молекул.
Корінною відмінністю радіохвиль від більш високих частот є інше термодинамічний співвідношення між довжиною хвилі носія хвиль (ефіру), що дорівнює 1 мм (2,7 ° К), і електромагнітної хвилі, що поширюється в цьому середовищі.

Біологічна дія радіохвильового випромінювання

Страшний жертовний досвід застосування потужного радіохвильового випромінювання в техніці радіолокації показав специфічну дію радіохвиль залежно від довжини хвилі (частоти).

на людський організмруйнівну дію не так середня, скільки пікова потужність випромінювання, коли він відбуваються незворотні явища в білкових структурах. Наприклад, потужність безперервного випромінювання магнетрона НВЧ-печі (мікрохвильовки), що становить 1 КВатт, впливає лише на їжу в малому замкнутому (екранованому) об'ємі печі, і майже безпечна для людини, що знаходиться поруч. Потужність радіолокаційної станції (РЛС, радара) в 1 КВатт середньої потужності, що випромінюється короткими імпульсами шпаруватістю 1000:1 (відношення періоду повторення до тривалості імпульсу) і, відповідно, імпульсною потужністю в 1 МВатт, дуже небезпечна для здоров'я та життя метрів від випромінювача. В останньому, звичайно, відіграє роль і спрямованість випромінювання РЛС, яка наголошує на руйнівній дії саме імпульсної, а не середньої потужності.

Вплив метрових хвиль

Метрові хвилі великої інтенсивності, що випромінюються імпульсними генераторами метрових радіолокаційних станцій (РЛС), що мають імпульсну потужність більше мегавата (таких, наприклад, як станція далекого виявлення П-16) і порівняні з протяжністю спинного мозку людини і тварин, а також довжиною аксонів, цих структур, викликаючи діенцефальний синдром (НВЧ-хвороба). Остання призводить до швидкого розвитку (протягом кількох місяців до кількох років) повного чи часткового (залежно від отриманої імпульсної дози випромінювання) незворотному паралічу кінцівок людини, і навіть порушення іннервації кишечника та інших внутрішніх органів.

Вплив дециметрових хвиль

Дециметрові хвилі можна порівняти за довжиною хвилі з кровоносними судинами, що охоплюють такі органи людини і тварин, як легені, печінку та нирки. Це одна з причин, чому вони викликають розвиток "доброякісних" пухлин (кіст) у цих органах. Розвиваючись на поверхні кровоносних судин, ці пухлини призводять до зупинки нормального кровообігу та порушення роботи органів. Якщо вчасно не видалити такі пухлини оперативним шляхом, настає загибель організму. Дециметрові хвилі небезпечних рівнів інтенсивності випромінюють магнетрони таких РЛС як мобільна РЛС ППО П-15, а також РЛС деяких повітряних суден.

Вплив сантиметрових хвиль

Потужні сантиметрові хвилі викликають таке захворювання, як лейкемію – "білокровість", а також інші форми злоякісних пухлин людини та тварин. Хвилі достатньої виникнення цих захворювань інтенсивності генерують РЛС сантиметрового діапазону П-35, П-37 і майже всі РЛС повітряних суден.

Інфрачервоне, світлове та ультрафіолетове випромінювання

Інфрачервоне, світлове, ультрафіолетовевипромінювання складають оптичну область спектра електромагнітних хвильу сенсі цього терміну. Цей спектр займає діапазон довжин електромагнітних хвиль в інтервалі від 2 · 10 -6 м = 2 мкм до 10 -8 м = 10 нм (по частоті від 1,5 · 10 14 гц до 3 · 10 16 гц). Верхня межа оптичного діапазону визначається довгохвильовою межею інфрачервоного діапазону, а нижня короткохвильовою межею ультрафіолету (рис.2.14).

Близькість ділянок спектра перерахованих хвиль зумовило подібність методів і приладів, що застосовуються для їх дослідження та практичного застосування. Історично для цих цілей застосовували лінзи, дифракційні грати, призми, діафрагми, оптично активні речовини, що входять до складу різних оптичних приладів (інтерферометрів, поляризаторів, модуляторів та ін.).

З іншого боку випромінювання оптичної області спектра має загальні закономірності проходження різних середовищ, які можна одержати з допомогою геометричної оптики, широко використовуваної для розрахунків і побудови, як оптичних приладів, і каналів поширення оптичних сигналів. Інфрачервоне випромінювання є видимим для багатьох членистоногих (комах, павуків тощо) та рептилій (змій, ящірок тощо) , доступним для напівпровідникових датчиків (інфрачервоних фотоматриць), але його не пропускає товща атмосфери Землі, що не дозволяє спостерігати з поверхні Землі інфрачервоні зірки - "коричневі карлики", які становлять понад 90% усіх зірок у Галактиці.

Ширина оптичного діапазону частотою становить приблизно 18 октав, з яких на оптичний діапазон припадає приблизно одна октава (); на ультрафіолет - 5 октав ( ), на інфрачервоне випромінювання- 11 октав (

В оптичній частині спектру стають суттєвими явища, зумовлені атомістичним будовою речовини. З цієї причини поряд із хвильовими властивостями оптичного випромінювання виявляються квантові властивості.

Світло

Світло, світлове, видиме випромінювання - видима очималюдини і приматів частина оптичного спектру електромагнітного випромінювання, що займає діапазон довжин електромагнітних хвиль в інтервалі від 400 нанометрів до 780 нанометрів, тобто менше однієї октави - дворазової зміни частоти.

Мал. 1.14. Шкала електромагнітних хвиль

Словесний мем-запам'ятовувач порядку квітів у світловому спектрі:
"Докожна Промавпа Жїлає Знати Главний Зекрет Фізоки" -
"червоний , Помаранчевий , Жовтий , Зелений , Блакитний , Синій , Фіолетовий ".

Рентгенівське та гама випромінювання

В області рентгенівського та гамма випромінювання на перший план виступають квантові властивості випромінювання.

Рентгенівське випромінюваннявиникає при гальмуванні швидких заряджених частинок (електронів, протонів тощо), а також в результаті процесів, що відбуваються всередині електронних оболонокатомів.

Гамма випромінювання є наслідком явищ, що відбуваються всередині атомних ядер, а також внаслідок ядерних реакцій. Кордон між рентгенівським і гама випромінюванням визначається умовно за величиною кванта енергії , що відповідає даній частоті випромінювання.

Рентгенівське випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною від 50 нм до 10 -3 нм, що відповідає енергії квантів від 20 до 1 Мев.

Гамма випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше 10 -2 нм, що відповідає енергії квантів більше 0.1 Мев.

Електромагнітна природа світла

Світло є видимою ділянкою спектра електромагнітних хвиль, довжини хвиль яких займають інтервал від 0.4мкм до 0.76мкм. Кожна спектральна складова оптичного випромінювання може бути поставлена у відповідність певний колір. Забарвлення спектральних складових оптичного випромінювання визначається їх довжиною хвилі. Колір випромінювання змінюється зі зменшенням його довжини хвилі так: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Червоне світло, яке відповідає найбільшій довжині хвилі, визначає червону межу спектру. Фіолетове світло - відповідає фіолетовому кордону.

Природне (денне, сонячне) світло не забарвлене і представляє суперпозицію електромагнітних хвиль з усього видимого людиноюспектра. Природне світло з'являється внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль збудженими атомами. Характер збудження може бути різним: тепловий, хімічний, електромагнітний та ін. В результаті збудження атоми хаотично випромінюють електромагнітні хвилі приблизно на протязі 10 -8 сек. Оскільки енергетичний спектр збудження атомів досить широкий, випромінюються електромагнітні хвилі з усього видимого спектру, початкова фаза, напрям і поляризація яких має випадковий характер З цієї причини природне світло не поляризоване. Це означає, що "щільність" спектральних складових електромагнітних хвиль природного світла, Що мають взаємно перпендикулярні поляризації однаково.

Гармонічні електромагнітні хвилі світлового діапазону називаються монохроматичними. Для світлової монохроматичної хвилі однією з основних показників є інтенсивність. Інтенсивність світлової хвиліявляє собою середнє значення величини щільності потоку енергії (1.25), що переноситься хвилею:

Де - вектор Пойнтінг.

Розрахунок інтенсивності світлової, плоскої, монохроматичної хвилі з амплітудою електричного поля в однорідному середовищі з діелектричною та магнітною проникністю за формулою (1.35) з урахуванням (1.30) та (1.32) дає:

Традиційно оптичні явища розглядаються з допомогою променів. Опис оптичних явищ за допомогою променів називається геометрооптичним. Правила знаходження траєкторій променів, розроблені в геометричній оптиці, широко використовуються на практиці для аналізу оптичних явищ та при побудові різних оптичних приладів.

Дамо визначення променя, виходячи з електромагнітного уявлення світлових хвиль. Насамперед, промені - це лінії, вздовж яких поширюються електромагнітні хвилі. З цієї причини промінь - це лінія, у кожній точці якої усереднений вектор Пойнтінга електромагнітної хвилі спрямований по цій лінії.

У однорідних ізотропних середовищах напрям середнього вектора Пойнтинга збігається з нормаллю до хвильової поверхні (еквіфазної поверхні), тобто. вздовж хвильового вектора.

Таким чином, в однорідних ізотропних середовищах промені перпендикулярні до відповідного хвильового фронту електромагнітної хвилі.

Наприклад розглянемо промені, що випускаються точковим монохроматичним джерелом світла. З погляду геометричної оптики з точки джерела виходить безліч променів у радіальному напрямку. З позиції електромагнітної сутності світла з джерела поширюється сферична електромагнітна хвиля. На досить великій відстані джерела кривизною хвильового фронту можна знехтувати, вважаючи локально сферичну хвилю плоскою. Розбиваючи поверхню хвильового фронту на велика кількістьлокально плоских ділянок можна через центр кожної ділянки провести нормаль, уздовж якого поширюється плоска хвиля, тобто. у геометрооптичній інтерпретації промінь. Таким чином, обидва підходи дають однаковий опис прикладу.

Основне завдання геометричної оптики полягає у знаходженні напрямку променя (траєкторії). Рівняння траєкторії перебуває після вирішення варіаційного завдання знаходження мінімуму т.зв. дії на шуканих траєкторіях. Не вдаючись у подробиці суворого формулювання і розв'язання зазначеної задачі, можна вважати, що промені є траєкторією з найменшою сумарною оптичною довжиною. Це твердження є наслідком принципу Ферма.

Варіаційний підхід визначення траєкторії променів можна застосовувати і до неоднорідним середовищах, тобто. таким середовищам, які мають заломлення є функція координат точок середовища. Якщо описати функцією форму поверхні хвильового фронту в неоднорідному середовищі, її можна знайти з рішення рівняння у приватних похідних, відомого як рівняння ейконала, а аналітичної механіці як рівняння Гамільтона - Якобі:

Таким чином, математичну основу геометрооптичного наближення електромагнітної теорії складають різні методи визначення полів електромагнітних хвиль на променях, виходячи з рівняння ейконалу або якимсь іншим способом. Геометрооптичне наближення широко використовується практично у радіоелектроніці до розрахунку т.зв. квазіоптичних систем.

На закінчення зазначимо, що можливість описати світло одночасно і з хвильових позицій шляхом вирішення рівнянь Максвелла і за допомогою променів, напрямок яких визначається з рівнянь Гамільтона - Якобі, що описують рух частинок, є одним із проявів дуалізму світла, що здається, що привело, як відомо, до формулювання логічно суперечливих принципів квантової механіки

Насправді жодного дуалізму у природі електромагнітних хвиль немає. Як показав Макс Планк у 1900 році у своїй класичній роботі "Про нормальний спектр випромінювання", електромагнітні хвилі є окремими квантованими коливаннями частотою. vта енергією E=hv, де h = const, в ефірі . Останній є надтекуче середовище, що має стабільну властивість розривності мірою h- Постійна Планка. При дії на ефір енергією, що перевищує hvпід час випромінювання відбувається утворення квантованого "вихору". Точно таке ж явище спостерігається у всіх надплинних середовищах та утворення в них фононів – квантів звукового випромінювання.

За "copy-and-paste" поєднання відкриття Макса Планка 1900 року з відкритим ще 1887 року Генріхом Герцем фотоефектом, 1921 року Нобелівський комітет присудив премію Альберту Ейнштейну

1) Октавой за визначенням називається діапазон частот між довільною частотою w та її другий гармонікою, що дорівнює 2w.

2. У релятивізм "світло" є міфічне явище саме по собі, а не фізична хвиля, що є хвилюванням певного фізичного середовища. Релятивістське "світло" - це хвилювання нічого в нічому. У нього немає середовища-носія коливань.

3. У релятивізм можливі маніпуляції з часом (уповільнення), тому там порушуються основоположні для будь-якої науки принцип причинності та принцип суворої логічності. У релятивізм при швидкості світла час зупиняється (тому в ньому абсурдно говорити про частоту фотона). У релятивізмі можливі такі насильства над розумом, як твердження про взаємне перевищення віку близнюків, що рухаються із субсвітловою швидкістю, та інші знущання з логіки, властиві будь-якій релігії.

Електромагнітне випромінювання(Електромагнітні хвилі) - обурення електричних і магнітних полів, що поширюється в просторі.

Діапазони електромагнітного випромінювання

1 Радіохвилі

2. Інфрачервоне випромінювання (Теплове)

3. Видиме випромінювання (Оптичне)

4. Ультрафіолетове випромінювання

5. Жорстке випромінювання

Основними характеристиками електромагнітного випромінювання прийнято вважати частоту та довжину хвилі. Довжина хвилі залежить від швидкості розповсюдження випромінювання. Швидкість поширення електромагнітного випромінювання у вакуумі дорівнює швидкості світла, в інших середовищах ця швидкість менша.

Особливостями електромагнітних хвиль з погляду теорії коливань та понять електродинаміки є наявність трьох взаємноперпендикулярних векторів: хвильового вектора, вектора напруженості електричного поля E та вектора напруженості магнітного поля H.

Електромагнітні хвилі- це поперечні хвилі (хвилі зсуву), у яких вектори напруженостей електричного і магнітного полів коливаються перпендикулярно напрямку поширення хвилі, але вони істотно відрізняються від хвиль на воді та від звуку тим, що їх можна передати від джерела до приймача в тому числі і через вакуум.

Загальним всім видів випромінювань є швидкість їх поширення у вакуумі, рівна 300 000 000 метрів на секунду.

Електромагнітні випромінювання характеризуються частотою коливань, що показують кількість повних циклів коливань за секунду, чи довжиною хвилі, тобто. відстанню, на яку поширюється випромінювання за час одного коливання (за один період коливань).

Частота коливань (f), довжина хвилі (λ) та швидкість поширення випромінювання (с) пов'язані між собою співвідношенням:с = fλ.

Електромагнітне випромінювання прийнято ділити за частотними діапазонами. Між діапазонами немає різких переходів, вони іноді перекриваються, а межі з-поміж них умовні. Оскільки швидкість поширення випромінювання стала, то частота його коливань жорстко пов'язана з довжиною хвилі у вакуумі.

Ультракороткі радіохвиліприйнято розділяти на метрові, дециметрові, сантиметрові, міліметрові та субміліметрові чи мікрометрові. Хвилі з довжиною λ довжиною менше 1 м (частота понад 300 МГц) прийнято також називати мікрохвилями або хвилями надвисоких частот (НВЧ).

Інфрачервоне випромінювання- електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла (з довжиною хвилі 0,74 мкм) та мікрохвильовим випромінюванням (1-2 мм).

Інфрачервоне випромінюваннязаймає найбільшу частину оптичного спектра. Інфрачервоне випромінювання також називають «тепловим» випромінюванням, оскільки всі тіла, тверді та рідкі, нагріті до певної температури, випромінюють енергію в інфрачервоному спектрі. При цьому довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури нагрівання: чим вища температура, тим коротша довжина хвилі і вища інтенсивність випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла за відносно невисоких (до кількох тисяч Кельвінів) температур лежить в основному саме в цьому діапазоні.

Видимий світло є поєднанням семи основних кольорів: червоного, помаранчевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього і фіолетового. Перед червоними областями спектру в оптичному діапазоні знаходяться інфрачервоні, а за фіолетовими - ультрафіолетові. Але не інфрачервоні, ультрафіолетові не видимі для людського ока.

Мабуть, інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання складає так звану оптичну область спектруу сенсі цього терміну. Найвідомішим джерелом оптичного випромінювання є Сонце. Його поверхня (фотосфера) нагріта до температури 6000 градусів та світить яскраво-жовтим світлом. Ця ділянка спектра електромагнітного випромінювання безпосередньо сприймається нашими органами почуттів.

Випромінювання оптичного діапазонувиникає при нагріванні тіл (інфрачервоне випромінювання називають тепловим) через тепловий рух атомів і молекул. Чим сильніше нагріте тіло, тим вища частота його випромінювання. При певному нагріванні тіло починає світитися у видимому діапазоні (гартування), спочатку червоним, потім жовтим тощо. І навпаки, випромінювання оптичного спектра чинить на тіла тепловий вплив.

У природі ми найчастіше зустрічаємося з тілами, що випромінюють світло складного спектрального складу, що складається з волі різної довжини. Тому енергія видимих випромінювань впливає на світлочутливі елементи ока і справляє неоднакове відчуття. Це пояснюється різною чутливістю ока до випромінювань із різними довжинами хвиль.

Крім теплового випромінювання джерелом та приймачем оптичного випромінювання можуть служити хімічні та біологічні реакції. Одна з найвідоміших хімічних реакцій, що є приймачем оптичного випромінювання, використовується у фотографії.

Жорсткі промені. Кордони областей рентгенівського та гамма-випромінювання можуть бути визначені лише досить умовно. Для загальної орієнтування можна прийняти, що енергія рентгенівських квантів лежить у межах 20 еВ – 0,1 МеВ, а енергія гамма-квантів – більше 0,1 МеВ.

Ультрафіолетове випромінювання(Ультрафіолет, УФ, UV) - електромагнітне випромінювання, що займає діапазон між видимим і рентгенівським випромінюванням (380 - 10 нм, 7,9 × 1014 - 3 × 1016 Гц). Діапазон умовно ділять на ближній (380-200 нм) і дальній, або вакуумний (200-10 нм) ультрафіолет, останній так названий, оскільки інтенсивно поглинається атмосферою та досліджується лише вакуумними приладами.

Довгохвильове ультрафіолетове випромінюваннямає порівняно невелику фотобіологічну активність, але здатна викликати пігментацію шкіри людини, надає позитивний вплив на організм. Випромінювання цього піддіапазону здатне викликати свічення деяких речовин, тому його використовують для люмінесцентного аналізу хімічного складу продуктів.

Середньохвильове ультрафіолетове випромінюваннямає тонізуючу та терапевтичну дію на живі організми. Воно здатне викликати еритему і засмагу, перетворювати в організмі тварин необхідний для росту та розвитку вітамін D у засвоювану форму, має потужну антирахітну дію. Випромінювання цього піддіапазону шкідливі для більшості рослин.

Короткохвильове ультрафіолетове лікуваннявідрізняється бактерицидною дією, тому його широко використовують для знезараження води та повітря, дезінфекції та стерилізації різного інвентарю та посуду.

Основне природне джерело ультрафіолетового випромінювання Землі - Сонце. Співвідношення інтенсивності випромінювання УФ-А та УФ-Б, загальна кількість ультрафіолетових променів, Що досягають поверхні Землі, залежить від різних факторів.

Штучні джерела ультрафіолетового випромінюваннярізноманітні. Сьогодні штучні джерела ультрафіолетового випромінюванняшироко застосовуються в медицині, профілактичних, санітарних та гігієнічних установах, сільському господарствіі т.д. надаються істотно більші можливості, ніж при використанні природного ультрафіолетового випромінюваннявипромінювання.