Fala elektromagnetyczna i jej rozkład w przestrzeni. Co to jest fala elektromagnetyczna i oscylacja

Postęp technologiczny ma też swoje wady. Powszechne stosowanie różnych urządzeń zasilanych elektrycznie spowodowało zanieczyszczenie, które nazwano szumem elektromagnetycznym. W tym artykule przyjrzymy się naturze tego zjawiska, stopniowi jego wpływu na organizm ludzki oraz środkom ochronnym.

Co to jest i źródła promieniowania

Promieniowanie elektromagnetyczne to fale elektromagnetyczne powstające w wyniku zakłócenia pola magnetycznego lub elektrycznego. Współczesna fizyka interpretuje ten proces w ramach teorii dualności falowo-cząsteczkowej. Oznacza to, że minimalna część promieniowania elektromagnetycznego jest kwantem, ale jednocześnie ma właściwości częstotliwościowo-falowe, które określają jego główne cechy.

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

  • częstotliwość radiowa (w tym fale radiowe);
  • termiczna (podczerwień);
  • optyczny (to znaczy widoczny dla oka);
  • promieniowanie w zakresie ultrafioletu i twarde (zjonizowane).

Szczegółową ilustrację zakresu widmowego (skali promieniowania elektromagnetycznego) można zobaczyć na poniższym rysunku.

Charakter źródeł promieniowania

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

  • zakłócenia pola elektromagnetycznego pochodzenia sztucznego;
  • promieniowanie pochodzące ze źródeł naturalnych.

Promieniowanie pochodzące z pola magnetycznego wokół Ziemi, procesy elektryczne zachodzące w atmosferze naszej planety, synteza jądrowa w głębinach słońca - wszystko to jest pochodzenia naturalnego.

Jeśli chodzi o źródła sztuczne, są one skutkiem ubocznym działania różnych mechanizmów i urządzeń elektrycznych.

Promieniowanie z nich emanujące może być niskiego i wysokiego poziomu. Stopień natężenia promieniowania pola elektromagnetycznego zależy całkowicie od poziomów mocy źródeł.

Przykłady źródeł o wysokim poziomie PEM obejmują:

  • Linie energetyczne są zwykle wysokiego napięcia;
  • wszystkie rodzaje transportu elektrycznego wraz z infrastrukturą towarzyszącą;
  • maszty telewizyjne i radiowe oraz stacje łączności mobilnej i mobilnej;
  • instalacje do przetwarzania napięcia sieci elektrycznej (w szczególności fal pochodzących z transformatora lub podstacji rozdzielczej);
  • windy i inne rodzaje sprzętu dźwigowego wykorzystujące elektrownię elektromechaniczną.

Typowymi źródłami emitującymi promieniowanie o niskim poziomie są następujące urządzenia elektryczne:

  • prawie wszystkie urządzenia z wyświetlaczem CRT (np. terminal płatniczy lub komputer);
  • różnego rodzaju sprzęt AGD, od żelazek po systemy klimatyzacji;
  • systemy inżynieryjne, które zapewniają zasilanie w energię elektryczną różnych obiektów (dotyczy to nie tylko kabli zasilających, ale związanego z nimi sprzętu, takiego jak gniazdka i liczniki energii elektrycznej).

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

Wpływ na ludzi

W trakcie licznych badań radiobiolodzy doszli do rozczarowującego wniosku - długotrwałe promieniowanie fal elektromagnetycznych może spowodować „eksplozję” chorób, czyli szybki rozwój procesów patologicznych w organizmie człowieka. Ponadto wiele z nich powoduje zaburzenia na poziomie genetycznym.

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

Wynika to z faktu, że pole elektromagnetyczne charakteryzuje się wysokim poziomem aktywności biologicznej, co negatywnie wpływa na organizmy żywe. Współczynnik wpływu zależy od następujących elementów:

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

Wpływ promieniowania o charakterze elektromagnetycznym na zdrowie człowieka zależy bezpośrednio od lokalizacji. Może mieć charakter lokalny lub ogólny. W tym drugim przypadku dochodzi do narażenia na dużą skalę, na przykład promieniowania wytwarzanego przez linie energetyczne.

W związku z tym napromieniowanie miejscowe odnosi się do narażenia na określone obszary ciała. Fale elektromagnetyczne emitowane przez elektroniczny zegarek lub telefon komórkowy są żywym przykładem lokalnego wpływu.

Osobno należy zwrócić uwagę na wpływ termiczny promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości na materię żywą. Energia pola zamieniana jest na energię cieplną (w wyniku drgań cząsteczek), efekt ten jest podstawą działania przemysłowych emiterów mikrofalowych, służących do podgrzewania różnych substancji. W przeciwieństwie do korzyści w procesach produkcyjnych, wpływ termiczny na organizm ludzki może być szkodliwy. Z radiobiologicznego punktu widzenia nie zaleca się przebywania w pobliżu „ciepłego” sprzętu elektrycznego.

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

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


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

Wzór na obliczenie normy (standaryzacji) promieniowania pola elektromagnetycznego określono w odpowiednich GOST i SanPiN.

Ochrona przed promieniowaniem

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

  • aby ograniczyć wpływ promieniowania pola elektromagnetycznego niemal do zera, należy oddalić się od linii energetycznych, wież radiowo-telewizyjnych na odległość co najmniej 25 metrów (należy uwzględnić moc źródła);
  • w przypadku monitorów i telewizorów CRT odległość ta jest znacznie mniejsza – około 30 cm;
  • Zegarków elektronicznych nie należy umieszczać blisko poduszki, optymalna dla nich odległość to więcej niż 5 cm;
  • Jeśli chodzi o radia i telefony komórkowe, nie zaleca się zbliżania ich bliżej niż 2,5 centymetra.

Należy pamiętać, że wiele osób wie, jak niebezpieczne jest przebywanie w pobliżu linii wysokiego napięcia, jednak większość ludzi nie przywiązuje wagi do zwykłych domowych urządzeń elektrycznych. Chociaż wystarczy postawić jednostkę systemową na podłodze lub odsunąć ją dalej, a zabezpieczysz siebie i swoich bliskich. Radzimy to zrobić, a następnie zmierzyć tło z komputera za pomocą detektora promieniowania pola elektromagnetycznego, aby jednoznacznie zweryfikować jego redukcję.

Ta rada dotyczy również umiejscowienia lodówki; wiele osób umieszcza ją w pobliżu stołu kuchennego, co jest praktyczne, ale niebezpieczne.

Żadna tabela nie podaje dokładnej bezpiecznej odległości od konkretnego sprzętu elektrycznego, ponieważ promieniowanie może się różnić, zarówno w zależności od modelu urządzenia, jak i kraju produkcji. W tej chwili nie ma jednego międzynarodowego standardu, dlatego standardy w różnych krajach mogą znacznie się różnić.

Natężenie promieniowania można dokładnie określić za pomocą specjalnego urządzenia - fluksomierza. Zgodnie ze standardami przyjętymi w Rosji maksymalna dopuszczalna dawka nie powinna przekraczać 0,2 µT. Zalecamy wykonanie pomiarów w mieszkaniu przy pomocy w/w urządzenia do pomiaru stopnia promieniowania pola elektromagnetycznego.

Fluksomierz – urządzenie służące do pomiaru stopnia promieniowania pola elektromagnetycznego

Staraj się skracać czas narażenia na promieniowanie, to znaczy nie przebywaj przez dłuższy czas w pobliżu działających urządzeń elektrycznych. Na przykład podczas gotowania wcale nie jest konieczne ciągłe stanie przy kuchence elektrycznej lub kuchence mikrofalowej. Jeśli chodzi o sprzęt elektryczny, można zauważyć, że ciepło nie zawsze oznacza bezpiecznie.

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

Fale elektromagnetyczne (których tabela zostanie podana poniżej) są zaburzeniami pól magnetycznych i elektrycznych rozproszonych w przestrzeni. Jest ich kilka rodzajów. Fizyka bada te zaburzenia. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku tego, że zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, które z kolei generuje pole elektryczne.

Historia badań

Pierwsze teorie, które można uznać za najstarsze wersje hipotez dotyczących fal elektromagnetycznych, sięgają co najmniej czasów Huygensa. W tym okresie założenia osiągnęły wyraźny rozwój ilościowy. Huygens w 1678 r. opublikował swego rodzaju „szkic” teorii – „Traktat o świetle”. W 1690 roku opublikował kolejne niezwykłe dzieło. Nakreślił jakościową teorię odbicia i załamania światła w formie, w jakiej jest ona do dziś przedstawiana w podręcznikach szkolnych („Fale elektromagnetyczne”, klasa IX).

W tym samym czasie sformułowano zasadę Huygensa. Z jego pomocą stało się możliwe badanie ruchu czoła fali. Zasada ta znalazła później swój rozwój w pracach Fresnela. Zasada Huygensa-Fresnela miała szczególne znaczenie w teorii dyfrakcji i falowej teorii światła.

W latach 1660-1670 Hooke i Newton wnieśli znaczący wkład eksperymentalny i teoretyczny do badań. Kto odkrył fale elektromagnetyczne? Kto przeprowadził eksperymenty potwierdzające ich istnienie? Jakie są rodzaje fal elektromagnetycznych? Więcej na ten temat później.

Uzasadnienie Maxwella

Zanim zaczniemy mówić o tym, kto odkrył fale elektromagnetyczne, należy powiedzieć, że pierwszym naukowcem, który ogólnie przepowiedział ich istnienie, był Faraday. Swoją hipotezę przedstawił w 1832 r. Następnie Maxwell pracował nad konstrukcją teorii. W 1865 roku ukończył to dzieło. W rezultacie Maxwell ściśle sformułował teorię matematycznie, uzasadniając istnienie rozpatrywanych zjawisk. Wyznaczył także prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych, która pokrywała się z wartością stosowanej wówczas prędkości światła. To z kolei pozwoliło mu na uzasadnienie hipotezy, że światło jest jednym z rozważanych rodzajów promieniowania.

Wykrywanie eksperymentalne

Teoria Maxwella została potwierdzona w doświadczeniach Hertza w 1888 roku. Należy w tym miejscu powiedzieć, że niemiecki fizyk przeprowadził swoje eksperymenty, aby obalić teorię, pomimo jej matematycznego uzasadnienia. Jednak dzięki swoim eksperymentom Hertz jako pierwszy praktycznie odkrył fale elektromagnetyczne. Ponadto podczas swoich eksperymentów naukowiec zidentyfikował właściwości i cechy promieniowania.

Hertz uzyskał drgania i fale elektromagnetyczne poprzez wzbudzenie serii impulsów o szybko zmieniającym się przepływie w wibratorze przy użyciu źródła wysokiego napięcia. Prądy o wysokiej częstotliwości można wykryć za pomocą obwodu. Im wyższa pojemność i indukcyjność, tym wyższa będzie częstotliwość oscylacji. Ale jednocześnie wysoka częstotliwość nie gwarantuje intensywnego przepływu. Do przeprowadzenia swoich eksperymentów Hertz użył dość prostego urządzenia, które dziś nazywa się „wibratorem Hertz”. Urządzenie jest obwodem oscylacyjnym typu otwartego.

Schemat eksperymentu Hertza

Rejestrację promieniowania przeprowadzono za pomocą wibratora odbiorczego. To urządzenie miało taką samą konstrukcję jak urządzenie emitujące. Pod wpływem fali elektromagnetycznej elektrycznego pola przemiennego w urządzeniu odbiorczym wzbudzono oscylację prądu. Jeśli w tym urządzeniu częstotliwość drgań własnych i częstotliwość przepływu pokrywały się, pojawiał się rezonans. W efekcie w urządzeniu odbiorczym występowały zakłócenia o większej amplitudzie. Badacz odkrył je obserwując iskry pomiędzy przewodnikami w niewielkiej szczelinie.

W ten sposób Hertz jako pierwszy odkrył fale elektromagnetyczne i udowodnił, że potrafią dobrze odbijać się od przewodników. Praktycznie uzasadnił powstawanie promieniowania stojącego. Ponadto Hertz określił prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w powietrzu.

Badanie charakterystyki

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

Fale elektromagnetyczne w próżni są wykrywane bez tłumienia. Są one rozmieszczone na dowolnej odległości, niezależnie od jej wielkości. Główne cechy fal obejmują polaryzację, częstotliwość i długość. Właściwości opisano w ramach elektrodynamiki. Jednak bardziej szczegółowe gałęzie fizyki zajmują się charakterystyką promieniowania w określonych obszarach widma. Należą do nich na przykład optyka.

Badanie twardego promieniowania elektromagnetycznego na końcu widma krótkofalowego prowadzone jest w sekcji wysokoenergetycznej. Biorąc pod uwagę współczesne idee, dynamika przestaje być samodzielną dyscypliną i łączy się z jedną teorią.

Teorie stosowane w badaniu właściwości

Obecnie istnieją różne metody ułatwiające modelowanie i badanie przejawów i właściwości oscylacji. Elektrodynamikę kwantową uważa się za najbardziej podstawową ze sprawdzonych i ukończonych teorii. Z niego, poprzez pewne uproszczenia, możliwe staje się uzyskanie wymienionych poniżej metod, które są szeroko stosowane w różnych dziedzinach.

Opis promieniowania o stosunkowo niskiej częstotliwości w środowisku makroskopowym przeprowadza się za pomocą klasycznej elektrodynamiki. Opiera się na równaniach Maxwella. Istnieją jednak uproszczenia w aplikacjach. Badanie optyczne wykorzystuje optykę. Teorię fal stosuje się w przypadkach, gdy niektóre części układu optycznego mają rozmiar zbliżony do długości fali. Optykę kwantową stosuje się tam, gdzie istotne są procesy rozpraszania i absorpcji fotonów.

Geometryczna teoria optyczna jest przypadkiem ograniczającym, w którym długość fali można zignorować. Istnieje również kilka sekcji stosowanych i podstawowych. Należą do nich na przykład astrofizyka, biologia percepcji wzrokowej i fotosyntezy oraz fotochemia. Jak klasyfikuje się fale elektromagnetyczne? Poniżej przedstawiono tabelę wyraźnie obrazującą rozkład na grupy.

Klasyfikacja

Istnieją zakresy częstotliwości fal elektromagnetycznych. Nie ma między nimi ostrych przejść, czasami nakładają się na siebie. Granice między nimi są dość dowolne. Ze względu na to, że przepływ jest rozłożony w sposób ciągły, częstotliwość jest ściśle powiązana z długością. Poniżej znajdują się zakresy fal elektromagnetycznych.

Promieniowanie ultrakrótkie zwykle dzieli się na mikrometr (submilimetr), milimetr, centymetr, decymetr i metr. Jeżeli promieniowanie elektromagnetyczne jest mniejsze niż metr, wówczas nazywa się to zwykle oscylacją o ultrawysokiej częstotliwości (mikrofalą).

Rodzaje fal elektromagnetycznych

Powyżej podano zakresy fal elektromagnetycznych. Jakie rodzaje strumieni istnieją? Do grupy tej zalicza się promieniowanie gamma i rentgenowskie. Należy powiedzieć, że zarówno światło ultrafioletowe, jak i nawet światło widzialne są zdolne do jonizacji atomów. Granice, w których mieszczą się strumienie gamma i rentgenowskie, są określone bardzo warunkowo. Jako ogólną wytyczną przyjmuje się wartości graniczne od 20 eV do 0,1 MeV. Strumienie gamma w wąskim znaczeniu są emitowane przez jądro, strumienie rentgenowskie są emitowane przez elektronową powłokę atomową w procesie wybijania elektronów z nisko położonych orbit. Klasyfikacja ta nie dotyczy jednak promieniowania twardego powstającego bez udziału jąder i atomów.

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

Strumienie radiowe

Ze względu na dużą wartość długości fale te można rozpatrywać bez uwzględnienia atomistycznej budowy ośrodka. Wyjątkowo działają tylko najkrótsze przepływy, które sąsiadują z obszarem podczerwieni widma. W zakresie radiowym kwantowe właściwości drgań pojawiają się raczej słabo. Niemniej jednak trzeba je brać pod uwagę np. analizując molekularne wzorce czasu i częstotliwości podczas schładzania sprzętu do temperatury kilku kelwinów.

Właściwości kwantowe są również brane pod uwagę przy opisywaniu generatorów i wzmacniaczy w zakresie milimetrowym i centymetrowym. Strumień radiowy powstaje podczas przepływu prądu przemiennego przez przewodniki o odpowiedniej częstotliwości. A przechodząca fala elektromagnetyczna w przestrzeni wzbudza odpowiednią falę. Właściwość tę wykorzystuje się przy projektowaniu anten w radiotechnice.

Widoczne wątki

Promieniowanie widzialne nadfioletowe i podczerwone stanowi w szerokim tego słowa znaczeniu tzw. optyczną część widma. O wyborze tego obszaru decyduje nie tylko bliskość odpowiednich stref, ale także podobieństwo instrumentów wykorzystywanych w badaniach, a opracowanych przede wszystkim podczas badań światła widzialnego. Należą do nich w szczególności zwierciadła i soczewki skupiające promieniowanie, siatki dyfrakcyjne, pryzmaty i inne.

Częstotliwości fal optycznych są porównywalne z częstotliwościami cząsteczek i atomów, a ich długości są porównywalne z odległościami międzycząsteczkowymi i rozmiarami cząsteczek. Dlatego w tym obszarze istotne stają się zjawiska, które wynikają z atomowej budowy materii. Z tego samego powodu światło oprócz właściwości falowych ma również właściwości kwantowe.

Pojawienie się przepływów optycznych

Najbardziej znanym źródłem jest Słońce. Powierzchnia gwiazdy (fotosfera) ma temperaturę 6000° Kelvina i emituje jasne, białe światło. Najwyższa wartość widma ciągłego znajduje się w strefie „zielonej” – 550 nm. Tutaj też zlokalizowana jest maksymalna czułość wzrokowa. Oscylacje w zakresie optycznym występują podczas podgrzewania ciał. Dlatego przepływy podczerwieni nazywane są również przepływami termicznymi.

Im bardziej ciało się nagrzewa, tym wyższa jest częstotliwość, przy której znajduje się maksimum widma. Przy pewnym wzroście temperatury obserwuje się żarzenie (świecenie w zakresie widzialnym). W tym przypadku najpierw pojawia się kolor czerwony, potem żółty i tak dalej. Tworzenie i rejestrowanie przepływów optycznych może zachodzić w reakcjach biologicznych i chemicznych, z których jedna jest wykorzystywana w fotografii. Dla większości stworzeń żyjących na Ziemi fotosynteza służy jako źródło energii. Ta reakcja biologiczna zachodzi w roślinach pod wpływem optycznego promieniowania słonecznego.

Cechy fal elektromagnetycznych

Właściwości ośrodka i źródła wpływają na charakterystykę przepływów. Ustala to w szczególności zależność czasową pól, która determinuje rodzaj przepływu. Na przykład, gdy zmienia się odległość od wibratora (w miarę jej zwiększania), promień krzywizny staje się większy. W rezultacie powstaje płaska fala elektromagnetyczna. Interakcja z substancją zachodzi również na różne sposoby.

Procesy absorpcji i emisji strumieni z reguły można opisać za pomocą klasycznych zależności elektrodynamicznych. W przypadku fal w obszarze optycznym i promieni twardych należy jeszcze bardziej uwzględnić ich kwantową naturę.

Źródła strumieniowe

Pomimo fizycznej różnicy, wszędzie – w substancji radioaktywnej, nadajniku telewizyjnym, żarówce – fale elektromagnetyczne są wzbudzane przez ładunki elektryczne poruszające się z przyspieszeniem. Istnieją dwa główne typy źródeł: mikroskopijne i makroskopowe. W pierwszym przypadku następuje gwałtowne przejście naładowanych cząstek z jednego poziomu na drugi wewnątrz cząsteczek lub atomów.

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

Źródła makroskopowe to emitery, w których swobodne elektrony przewodników wykonują okresowe synchroniczne oscylacje. W układach tej kategorii generowane są przepływy od skali milimetrowej do najdłuższych (w liniach elektroenergetycznych).

Struktura i siła przepływów

Przyspieszone i okresowo zmieniające się prądy oddziałują na siebie pewnymi siłami. Kierunek i ich wielkość zależą od takich czynników, jak wielkość i konfiguracja obszaru, w którym zawarte są prądy i ładunki, ich względny kierunek i wielkość. Istotny wpływ mają także właściwości elektryczne danego ośrodka, a także zmiany koncentracji ładunków i rozkładu prądów źródłowych.

Ze względu na ogólną złożoność sformułowania problemu niemożliwe jest przedstawienie prawa sił w postaci jednego wzoru. Strukturę zwaną polem elektromagnetycznym i uważaną w razie potrzeby za obiekt matematyczny wyznacza rozkład ładunków i prądów. Ten z kolei tworzony jest przez dane źródło z uwzględnieniem warunków brzegowych. Warunki te są określone przez kształt strefy interakcji i właściwości materiału. Jeśli mówimy o nieograniczonej przestrzeni, okoliczności te są uzupełniane. Warunek radiacyjny pełni w takich przypadkach rolę specjalnego warunku dodatkowego. Dzięki temu gwarantowana jest „poprawność” zachowania pola w nieskończoności.

Chronologia studiów

Łomonosow w niektórych swoich postanowieniach antycypuje indywidualne postulaty teorii pola elektromagnetycznego: „obrotowy” (rotacyjny) ruch cząstek, „oscylującą” (falową) teorię światła, jej wspólność z naturą elektryczności itp. Podczerwień przepływy odkrył w 1800 roku Herschel (angielski naukowiec), a rok później, 1801, Ritter opisał ultrafiolet. Promieniowanie o zasięgu krótszym niż ultrafiolet zostało odkryte przez Roentgena w 1895 roku, 8 listopada. Następnie otrzymał nazwę X-ray.

Wielu naukowców badało wpływ fal elektromagnetycznych. Jednak pierwszym, który zbadał możliwości przepływów i zakres ich zastosowania, był Narkiewicz-Iodko (białoruski naukowiec). Badał właściwości przepływów w odniesieniu do medycyny praktycznej. Promieniowanie gamma zostało odkryte w 1900 roku przez Paula Willarda. W tym samym okresie Planck przeprowadził teoretyczne badania właściwości ciała doskonale czarnego. W trakcie studiów odkrył kwantową naturę procesu. Jego praca zapoczątkowała rozwój, następnie opublikowano kilka prac Plancka i Einsteina. Ich badania doprowadziły do ​​powstania takiego pojęcia jak foton. To z kolei położyło podwaliny pod stworzenie kwantowej teorii strumieni elektromagnetycznych. Jego rozwój był kontynuowany w pracach czołowych postaci naukowych XX wieku.

Dalsze badania i prace nad kwantową teorią promieniowania elektromagnetycznego i jego oddziaływania z materią ostatecznie doprowadziły do ​​powstania elektrodynamiki kwantowej w postaci, w jakiej istnieje ona dzisiaj. Wśród wybitnych naukowców zajmujących się tą problematyką należy wymienić, oprócz Einsteina i Plancka, Bohra, Bose'a, Diraca, de Broglie'a, Heisenberga, Tomonagę, Schwingera, Feynmana.

Wniosek

Znaczenie fizyki we współczesnym świecie jest dość duże. Prawie wszystko, co jest dziś wykorzystywane w życiu człowieka, pojawiło się dzięki praktycznemu zastosowaniu badań wielkich naukowców. W szczególności odkrycie fal elektromagnetycznych i ich badanie doprowadziły do ​​​​powstania konwencjonalnych, a następnie telefonów komórkowych, nadajników radiowych. Praktyczne zastosowanie wiedzy teoretycznej ma szczególne znaczenie w medycynie, przemyśle i technologii.

To powszechne zastosowanie wynika z ilościowego charakteru nauki. Wszelkie eksperymenty fizyczne opierają się na pomiarach, porównaniu właściwości badanych zjawisk z obowiązującymi normami. W tym celu w ramach dyscypliny opracowano zespół przyrządów i jednostek pomiarowych. Wiele wzorów jest wspólnych dla wszystkich istniejących systemów materiałowych. Na przykład prawa zachowania energii są uważane za ogólne prawa fizyczne.

W wielu przypadkach naukę jako całość nazywa się podstawową. Wynika to przede wszystkim z faktu, że inne dyscypliny dostarczają opisów, które z kolei podlegają prawom fizyki. Zatem w chemii bada się atomy, powstałe z nich substancje i przemiany. Ale właściwości chemiczne ciał są określone przez właściwości fizyczne cząsteczek i atomów. Właściwości te opisują takie gałęzie fizyki jak elektromagnetyzm, termodynamika i inne.

Kwintesencja esejów przygotowujących do egzaminu FOSI.

Wykonywany przez ucznia grupy ZI-22 Sahau Azat.

7) Fale elektromagnetyczne.

Istnienie fal elektromagnetycznych teoretycznie przewidział Maxwell. Fale elektromagnetyczne zostały odkryte i zbadane eksperymentalnie przez Hertza.

Główne właściwości fal elektromagnetycznych to:

    wchłanianie;

    rozpraszanie;

    refrakcja;

    odbicie;

    ingerencja;

    dyfrakcja;

    polaryzacja;

Fale elektromagnetyczne i ich charakterystyka.

Fala elektromagnetyczna to proces rozchodzenia się zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni.

Istnienie fal elektromagnetycznych przewidział angielski fizyk Michael Faradaya. W 1831 roku Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej - wzbudzenia prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie przewodzącym umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym. Jest twórcą doktryny zjawisk elektromagnetycznych, w której zjawiska elektryczne i magnetyczne rozpatrywane są z jednego punktu widzenia. Za pomocą licznych eksperymentów Faraday udowodnił, że działanie ładunków i prądów elektrycznych nie zależy od metody ich wytwarzania.

Wzajemne przemiany pól elektrycznych i magnetycznych

Zgodnie z teorią Maxwella, w każdym punkcie przestrzeni zmiana pola elektrycznego powoduje wytworzenie zmiennego wirowego pola magnetycznego, którego wektory indukcji magnetycznej B leżą w płaszczyźnie prostopadłej do wektora natężenia pola elektrycznego E. Równanie mechaniczne wyrażające ten wzór nazywa się pierwszym równaniem Maxwella. Zmiana indukcji pola magnetycznego w czasie powoduje powstanie zmiennego wirowego pola elektrycznego, którego wektory natężenia E leżą w płaszczyźnie prostopadłej do wektora B. Równanie matematyczne opisujące ten wzór nazywa się drugim równaniem Maxwella. Z równania Maxwella wynika, że ​​zmiana czasu pola magnetycznego (lub elektrycznego) powstającego w dowolnym punkcie będzie przemieszczać się z jednego punktu do drugiego i nastąpią wzajemne przekształcenia tych pól, tj. nastąpi propagacja oddziaływań elektromagnetycznych w przestrzeni.

W 1865 roku J. Maxwell teoretycznie udowodnił, że oscylacje elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z końcową prędkością równą prędkości światła: c = 3 * 10^8 m/s.

W 1888 roku niemiecki fizyk Heinrich Hertz (1857-1894) po raz pierwszy eksperymentalnie odkrył fale elektromagnetyczne, co odegrało decydującą rolę w ustaleniu teorii fal elektromagnetycznych Maxwella.

Zatem fale elektromagnetyczne są oscylacjami elektromagnetycznymi rozchodzącymi się w przestrzeni ze skończoną prędkością.

Długość fali elektromagnetycznej to odległość pomiędzy dwoma najbliższymi punktami, w których występują oscylacje w tych samych fazach.

gdzie jest długość fali; c jest prędkością światła w próżni; T - okres oscylacji; v - częstotliwość oscylacji. Prędkość światła w próżni c = 3 * 10^8 m/s.

Kiedy fale elektromagnetyczne rozchodzą się w innym ośrodku, zmienia się prędkość fali i długość fali , gdzie u jest prędkością fali w ośrodku. W atmosferze można praktycznie przyjąć, że prędkość jest równa prędkości światła w próżni.

Prędkość u fali elektromagnetycznej w ośrodku wyznacza się ze wzoru Maxwella:

gdzie e jest względną stałą dielektryczną ośrodka i jest względną przenikalnością magnetyczną ośrodka.

Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w danym ośrodku pokrywa się z prędkością światła w tym ośrodku, co jest jednym z uzasadnień elektromagnetycznej natury światła.

Główną cechą fal elektromagnetycznych jest ich częstotliwość oscylacji v (lub okres T). Długość fali l zmienia się podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego, natomiast częstotliwość pozostaje niezmieniona. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi.

Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych wiąże się z przenoszeniem energii z pola elektromagnetycznego fali, która przekazywana jest w kierunku propagacji fali, tj. w kierunku wektora v. Wraz z energią fala elektromagnetyczna ma pęd. Jeśli fala zostanie pochłonięta, wówczas jej pęd zostanie przeniesiony na obiekt, który ją pochłania.

Wynika z tego, że po zaabsorbowaniu fala elektromagnetyczna wywiera nacisk na barierę.

Gęstość strumienia promieniowania elektromagnetycznego I (natężenie fali elektromagnetycznej) to stosunek energii elektromagnetycznej W przechodzącej w czasie t przez powierzchnię o powierzchni S prostopadłej do promieni do iloczynu powierzchni S i czasu t:

gdzie W jest energią elektromagnetyczną przechodzącą przez powierzchnię S w czasie t.

Jednostką miary natężenia promieniowania elektromagnetycznego I jest wat na m [W/m].

Gęstość strumienia promieniowania (natężenia fali elektromagnetycznej) jest równa iloczynowi gęstości energii elektromagnetycznej i prędkości jej propagacji:

gdzie jest stała magnetyczna w SI.

Natężenie fali elektromagnetycznej jest proporcjonalne do średniej wartości iloczynu wartości bezwzględnych wektorów E i B pola elektromagnetycznego, tj. proporcjonalna do kwadratu napięcia E:

Fale elektromagnetyczne to proces rozchodzenia się zmiennego pola elektromagnetycznego w przestrzeni. Teoretycznie istnienie fal elektromagnetycznych przewidział angielski naukowiec Maxwell w 1865 r., a po raz pierwszy uzyskał je eksperymentalnie niemiecki naukowiec Hertz w 1888 r.

Z teorii Maxwella wynikają wzory opisujące drgania wektorów i. Płaska monochromatyczna fala elektromagnetyczna rozchodząca się wzdłuż osi X, opisano równaniami

Tutaj mi I H- wartości chwilowe oraz mi m i H m - wartości amplitudy natężenia pola elektrycznego i magnetycznego, ω - częstotliwość kołowa, k- numer fali. Wektory i oscylują z tą samą częstotliwością i fazą, są wzajemnie prostopadłe, a dodatkowo prostopadłe do wektora – prędkości propagacji fali (rys. 3.7). Oznacza to, że fale elektromagnetyczne są poprzeczne.

W próżni fale elektromagnetyczne przemieszczają się z dużą prędkością. W ośrodku o stałej dielektrycznej ε i przenikalność magnetyczna µ prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest równa:

Częstotliwość oscylacji elektromagnetycznych, a także długość fali, mogą w zasadzie być dowolne. Klasyfikacja fal według częstotliwości (lub długości fali) nazywana jest skalą fal elektromagnetycznych. Fale elektromagnetyczne dzielą się na kilka rodzajów.

Fale radiowe mają długość fali od 10 3 do 10 -4 m.

Fale świetlne włączać:

Promieniowanie rentgenowskie - .

Fale świetlne to fale elektromagnetyczne obejmujące część widma podczerwoną, widzialną i ultrafioletową. Długości fal światła w próżni odpowiadające podstawowym kolorom widma widzialnego pokazano w poniższej tabeli. Długość fali podana jest w nanometrach.

Tabela

Fale świetlne mają takie same właściwości jak fale elektromagnetyczne.

1. Fale świetlne są poprzeczne.

2. Wektory i oscylują w fali świetlnej.

Doświadczenie pokazuje, że wszelkiego rodzaju wpływy (fizjologiczne, fotochemiczne, fotoelektryczne itp.) są spowodowane oscylacjami wektora elektrycznego. Jest on nazywany wektor światła .

Amplituda wektora światła mi m jest często oznaczone literą A i zamiast równania (3.30) stosuje się równanie (3.24).

3. Prędkość światła w próżni.

Prędkość fali świetlnej w ośrodku określa wzór (3.29). Ale w przypadku mediów przezroczystych (szkło, woda) jest to normalne.


Dla fal świetlnych wprowadzono pojęcie bezwzględnego współczynnika załamania światła.

Bezwzględny współczynnik załamania światła jest stosunkiem prędkości światła w próżni do prędkości światła w danym ośrodku

Z (3.29), biorąc pod uwagę fakt, że dla mediów przezroczystych możemy napisać równość.

Do próżni ε = 1 i N= 1. Dla dowolnego środowiska fizycznego N> 1. Na przykład dla wody N= 1,33, dla szkła. Ośrodek o wyższym współczynniku załamania światła nazywany jest optycznie gęstszym. Nazywa się stosunek bezwzględnych współczynników załamania światła względny współczynnik załamania światła:

4. Częstotliwość fal świetlnych jest bardzo wysoka. Na przykład dla światła czerwonego o długości fali.

Kiedy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, częstotliwość światła nie zmienia się, ale zmienia się prędkość i długość fali.

Do próżni -; dla środowiska - w takim razie

Zatem długość fali światła w ośrodku jest równa stosunkowi długości fali światła w próżni do współczynnika załamania światła

5. Ponieważ częstotliwość fal świetlnych jest bardzo wysoka , wówczas oko obserwatora nie rozróżnia poszczególnych wibracji, ale dostrzega średnie przepływy energii. To wprowadza pojęcie intensywności.

Intensywność to stosunek średniej energii przenoszonej przez falę do okresu czasu i powierzchni miejsca prostopadłej do kierunku propagacji fali:

Ponieważ energia fali jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy (patrz wzór (3.25)), natężenie jest proporcjonalne do średniej wartości kwadratu amplitudy

Cechą natężenia światła, biorąc pod uwagę jego zdolność do wywoływania wrażeń wzrokowych, jest strumień świetlny - F .

6. Falowa natura światła objawia się m.in. zjawiskami takimi jak interferencja i dyfrakcja.

Za każdym razem, gdy prąd elektryczny zmienia swoją częstotliwość lub kierunek, generuje fale elektromagnetyczne – oscylacje pól sił elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni. Jednym z przykładów jest zmieniający się prąd w antenie nadajnika radiowego, który tworzy pierścienie fal radiowych rozchodzących się w przestrzeni.

Energia fali elektromagnetycznej zależy od jej długości - odległości między dwoma sąsiednimi „szczytami”. Im krótsza długość fali, tym większa jest jej energia. Fale elektromagnetyczne, w kolejności malejącej długości, dzielą się na fale radiowe, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Długość fali promieniowania gamma nie sięga nawet stu miliardów metra, natomiast fale radiowe mogą mieć długość mierzoną w kilometrach.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w przestrzeni z prędkością światła, a linie sił ich pól elektrycznych i magnetycznych są ustawione pod kątem prostym względem siebie i do kierunku ruchu fali.

Fale elektromagnetyczne promieniują stopniowo rozszerzającymi się kręgami z anteny nadawczej dwukierunkowej stacji radiowej, podobnie jak fale, gdy kamyk wpada do stawu. Zmienny prąd elektryczny w antenie wytwarza fale składające się z pól elektrycznych i magnetycznych.

Obwód fali elektromagnetycznej

Fala elektromagnetyczna rozchodzi się po linii prostej, a jej pola elektryczne i magnetyczne są prostopadłe do przepływu energii.

Załamanie fal elektromagnetycznych

Podobnie jak światło, wszystkie fale elektromagnetyczne ulegają załamaniu, gdy wejdą w materię pod dowolnym kątem innym niż kąt prosty.

Odbicie fal elektromagnetycznych

Jeśli fale elektromagnetyczne padają na metalową powierzchnię paraboliczną, skupiają się w jednym punkcie.

Powstawanie fal elektromagnetycznych

fałszywy wzór fal elektromagnetycznych emitowanych przez antenę nadawczą powstaje w wyniku pojedynczej oscylacji prądu elektrycznego. Gdy prąd przepływa przez antenę, pole elektryczne (czerwone linie) jest kierowane z góry na dół, a pole magnetyczne (zielone linie) jest skierowane w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Jeśli prąd zmieni swój kierunek, to samo dzieje się z polami elektrycznymi i magnetycznymi.