Czym jest fala elektromagnetyczna - Hipermarket Wiedzy. Fala elektromagnetyczna - proces rozchodzenia się pola elektromagnetycznego w przestrzeni
W latach 1860-1865 jeden z najwięksi fizycy 19 wiek Jamesa Clerka Maxwella stworzył teorię pole elektromagnetyczne. Według Maxwella zjawisko indukcji elektromagnetycznej wyjaśnia się w następujący sposób. Jeżeli w pewnym punkcie przestrzeni pole magnetyczne zmienia się w czasie, to a pole elektryczne. Jeżeli w polu znajduje się zamknięty przewodnik, wówczas powstaje w nim pole elektryczne prąd indukowany. Z teorii Maxwella wynika, że możliwy jest także proces odwrotny. Jeśli w pewnym obszarze przestrzeni pole elektryczne zmienia się w czasie, wówczas powstaje tam również pole magnetyczne.
Zatem każda zmiana pola magnetycznego w czasie prowadzi do pojawienia się zmiany pole elektryczne, a każda zmiana pola elektrycznego w czasie generuje zmienne pole magnetyczne. Te naprzemienne pola elektryczne i magnetyczne generujące się wzajemnie tworzą pojedyncze pole elektromagnetyczne.
Właściwości fal elektromagnetycznych
Najważniejszym wnioskiem, jaki wynika z teorii pola elektromagnetycznego sformułowanej przez Maxwella, było przewidywanie możliwości istnienia fal elektromagnetycznych. Fala elektromagnetyczna - propagacja pól elektromagnetycznych w przestrzeni i czasie.
Fale elektromagnetyczne, w przeciwieństwie do fal sprężystych (dźwiękowych), mogą rozchodzić się w próżni lub dowolnej innej substancji.
Fale elektromagnetyczne w próżni rozchodzą się z dużą prędkością c=299 792 km/s czyli z prędkością światła.
W materii prędkość fali elektromagnetycznej jest mniejsza niż w próżni. Zależność pomiędzy długością fali, jej prędkością, okresem i częstotliwością oscylacji uzyskana dla fal mechanicznych jest prawdziwa również dla fal elektromagnetycznych:
Wahania wektora napięcia mi i wektor indukcji magnetycznej B zachodzą w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali (wektor prędkości).
Fala elektromagnetyczna przenosi energię.
Zasięg fal elektromagnetycznych
Wokół nas istnieje złożony świat fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach: promieniowania z monitorów komputerów, telefonów komórkowych, kuchenka mikrofalowa, telewizory itp. Obecnie wszystkie fale elektromagnetyczne są podzielone według długości fali na sześć głównych zakresów.
Fale radiowe- są to fale elektromagnetyczne (o długości fali od 10000 m do 0,005 m), służące do przesyłania sygnałów (informacji) na odległość bez użycia przewodów. W komunikacji radiowej fale radiowe powstają w wyniku przepływu prądów o wysokiej częstotliwości przez antenę.
Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,005 m do 1 mikrona, tj. leżące pomiędzy zakresem fal radiowych a zakresem światła widzialnego promieniowanie podczerwone. Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde nagrzane ciało. Źródłami promieniowania podczerwonego są piece, baterie i żarówki elektryczne. Korzystanie ze specjalnych urządzeń promieniowanie podczerwone można przekonwertować na widzialne światło i uzyskać obrazy nagrzanych obiektów w całkowitej ciemności.
DO widzialne światło obejmują promieniowanie o długości fali od około 770 nm do 380 nm, od czerwonego do fioletowy. Znaczenie tej części widma promieniowania elektromagnetycznego w życiu człowieka jest niezwykle duże, ponieważ człowiek otrzymuje prawie wszystkie informacje o otaczającym go świecie poprzez wzrok.
Nazywa się promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali krótszej niż fiolet, niewidocznym dla oka promieniowanie ultrafioletowe. Może zabić bakterie chorobotwórcze.
Promieniowanie rentgenowskie niewidoczny dla oka. Przechodzi bez znacznej absorpcji przez znaczne warstwy substancji nieprzezroczystej dla światła widzialnego, która służy do diagnostyki chorób narządów wewnętrznych.
Promieniowanie gamma zwane promieniowaniem elektromagnetycznym, emitowanym przez wzbudzone jądra i powstającym w wyniku oddziaływania cząstek elementarnych.
Zasada łączności radiowej
Jako źródło fal elektromagnetycznych wykorzystuje się obwód oscylacyjny. Dla efektywnego promieniowania obwód jest „otwarty”, tj. stworzyć warunki, aby pole mogło „wylecieć” w przestrzeń. To urządzenie nazywa się otwartym obwodem oscylacyjnym - antena.
Komunikacja radiowa to przekazywanie informacji za pomocą fal elektromagnetycznych, których częstotliwości mieszczą się w zakresie od do Hz.
Radar (radar)
Urządzenie, które transmituje fale ultrakrótkie i natychmiast je odbiera. Promieniowanie odbywa się w krótkich impulsach. Impulsy odbijają się od obiektów, co pozwala na ustalenie odległości do obiektu po odebraniu i przetworzeniu sygnału.
Radar prędkości działa na podobnej zasadzie. Pomyśl o tym, jak radar wykrywa prędkość poruszającego się samochodu.
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 przewidział 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 uzasadnić hipotezę, że jednym z rozważanych rodzajów promieniowania jest światło.
Wykrywanie eksperymentalne
Teorię Maxwella potwierdziły eksperymenty 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 elektrycznej pole zmienne 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 z określonych obszarów 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
Dzisiaj są różne metody, ułatwiając modelowanie i badanie przejawów i właściwości drgań. 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 jest zwykle podzielone 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
Wskutek wielkie znaczenie długości, uwzględnienie tych fal można przeprowadzić bez uwzględnienia atomistycznej struktury 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. To tutaj występuje 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 biologii i reakcje chemiczne, z których jeden jest używany 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. One również mają znaczący wpływ Parametry elektryczne specyficzne środowisko, a także zmiany koncentracji ładunku i rozkładu prądu źródła.
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. Jako specjalny dodatkowy warunek w takich przypadkach pojawia się stan promieniowania. 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 odkrył Roentgen 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 zapoczątkowało powstanie teorii kwantowej strumienie elektromagnetyczne. 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, którzy studiowali ten przypadek, należy wymienić, oprócz Einsteina i Plancka, Bohra, Bose'a, Diraca, de Broglie'a, Heisenberga, Tomonagu, Schwingera, Feynmana.
Wniosek
Znaczenie fizyki w nowoczesny świat wystarczająco duży. 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. Specjalne znaczenie praktyczne użycie posiada taką wiedzę teoretyczną z zakresu medycyny, przemysłu 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 ciała są określone Charakterystyka fizyczna cząsteczki i atomy. Właściwości te opisują takie gałęzie fizyki jak elektromagnetyzm, termodynamika i inne.
Fale elektromagnetyczne są wynikiem wielu lat debat i tysięcy eksperymentów. Dowód na obecność sił pochodzenia naturalnego zdolnych wywrócić do góry nogami istniejące społeczeństwo. To faktyczna akceptacja prostej prawdy – za mało wiemy o świecie, w którym żyjemy.
Fizyka jest królową nauk przyrodniczych, zdolną udzielić odpowiedzi na pytania o pochodzenie nie tylko życia, ale także samego świata. Daje naukowcom możliwość badania pól elektrycznych i magnetycznych, których oddziaływanie generuje EMF (fale elektromagnetyczne).
Co to jest fala elektromagnetyczna
Nie tak dawno temu na ekranach naszego kraju trafił film „Wojna prądów” (2018), który z domieszką fikcji opowiada o sporze pomiędzy dwoma wielkimi naukowcami Edisonem i Teslą. Próbowano udowodnić korzyści płynące z prąd stały, drugi pochodzi ze zmiennej. Ta długa bitwa zakończyła się dopiero w siódmym roku XXI wieku.
Już na samym początku „bitwy” inny naukowiec pracujący nad teorią względności opisał elektryczność i magnetyzm jako zjawiska podobne.
W trzydziestym roku XIX wieku urodzony w Anglii fizyk Faradaya odkrył to zjawisko Indukcja elektromagnetyczna i wprowadził pojęcie jedności pola elektrycznego i magnetycznego. Twierdził również, że ruch w tym polu jest ograniczony prędkością światła.
Nieco później teoria angielskiego naukowca Maxwella stwierdziła, że elektryczność powoduje efekt magnetyczny, a magnetyzm powoduje pojawienie się pola elektrycznego. Ponieważ oba te pola poruszają się w przestrzeni i czasie, tworzą zakłócenia - czyli fale elektromagnetyczne.
Mówiąc najprościej, fala elektromagnetyczna jest przestrzennym zaburzeniem pola elektromagnetycznego.
Istnienie fal elektromagnetycznych zostało eksperymentalnie udowodnione przez niemieckiego naukowca Hertza.
Fale elektromagnetyczne, ich właściwości i charakterystyka
Fale elektromagnetyczne charakteryzują się następującymi czynnikami:
- długość (dość szeroki zakres);
- częstotliwość;
- intensywność (lub amplituda wibracji);
- ilość energii.
Podstawową właściwością wszelkiego promieniowania elektromagnetycznego jest jego długość fali (w próżni), która dla widma światła widzialnego jest zwykle podawana w nanometrach.
Każdy nanometr reprezentuje tysięczną mikrometra i jest mierzony odległością pomiędzy dwoma kolejnymi pikami (wierzchołkami).
Odpowiednia częstotliwość emisji fali to liczba sinusoidalnych oscylacji i jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali.
Częstotliwość jest zwykle mierzona w hercach. Zatem dłuższe fale odpowiadają promieniowaniu o niższej częstotliwości, a krótsze fale odpowiadają promieniowaniu o wysokiej częstotliwości.
Podstawowe właściwości fal:
- refrakcja;
- odbicie;
- wchłanianie;
- ingerencja.
Prędkość fali elektromagnetycznej
Rzeczywista prędkość propagacji fali elektromagnetycznej zależy od materiału ośrodka, jego gęstości optycznej oraz obecności czynników takich jak ciśnienie.
Oprócz, różne materiały mają różną gęstość „upakowania” atomów, im bliżej są położone, tym mniejsza jest odległość i większa prędkość. W rezultacie prędkość fali elektromagnetycznej zależy od materiału, przez który się przemieszcza.
Podobne eksperymenty przeprowadza się w zderzaczu hadronów, gdzie głównym narzędziem oddziaływania jest naładowana cząstka. Badanie zjawisk elektromagnetycznych odbywa się tam na poziomie kwantowym, gdy światło rozkłada się na drobne cząstki – fotony. Ale fizyka kwantowa– to osobny temat.
Zgodnie z teorią względności największa prędkość rozchodzenia się fali nie może przekraczać prędkości światła. Maxwell opisywał w swoich pracach skończoność ograniczenia prędkości, tłumacząc to obecnością nowego pola – eteru. Współczesna oficjalna nauka nie badała jeszcze takiego związku.
Promieniowanie elektromagnetyczne i jego rodzaje
Promieniowanie elektromagnetyczne składa się z fal elektromagnetycznych, które obserwuje się w postaci oscylacji pola elektrycznego i magnetycznego, rozchodzących się z prędkością światła (300 km na sekundę w próżni).
Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią, jego zachowanie zmienia się jakościowo wraz ze zmianą częstotliwości. Dlaczego przekształca się w:
- Emisje radiowe. Na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią głównie w postaci wspólnego zestawu ładunków, które są rozmieszczone na dużej liczbie dotkniętych atomów.
- Promieniowanie podczerwone. W przeciwieństwie do promieniowania radiowego i mikrofalowego o niskiej częstotliwości, emiter podczerwieni zazwyczaj oddziałuje z dipolami obecnymi w poszczególnych cząsteczkach, które w trakcie wibracji zmieniają się na końcach wiązań chemicznych na poziomie atomowym.
- Emisja światła widzialnego. Wraz ze wzrostem częstotliwości w zakresie widzialnym fotony mają wystarczającą energię, aby zmienić strukturę związaną niektórych pojedynczych cząsteczek.
- Promieniowanie ultrafioletowe. Częstotliwość wzrasta. Fotony ultrafioletowe zawierają obecnie wystarczającą ilość energii (ponad trzy wolty), aby oddziaływać podwójnie na wiązania cząsteczek, stale przestawiając je chemicznie.
- Promieniowanie jonizujące. Przy najwyższych częstotliwościach i najkrótszych falach. Absorpcja tych promieni przez materię wpływa na całe widmo gamma. Najbardziej znanym efektem jest promieniowanie.
Jakie jest źródło fal elektromagnetycznych
Świat według młodej teorii pochodzenia wszystkiego powstał pod wpływem impulsu. Wyzwolił kolosalną energię, którą nazwano Wielkim Wybuchem. W ten sposób pojawiła się pierwsza w historii wszechświata fala em.
Obecnie źródłami powstawania zaburzeń są:
- EMW jest emitowane przez sztuczny wibrator;
- wynik wibracji grup atomowych lub części cząsteczek;
- jeśli występuje wpływ na zewnętrzną powłokę substancji (na poziomie atomowo-molekularnym);
- efekt podobny do światła;
- podczas rozpadu jądrowego;
- konsekwencja hamowania elektronów.
Skala i zastosowanie promieniowania elektromagnetycznego
Skala promieniowania odnosi się do dużego zakresu częstotliwości fal od 3,10 6 ÷10 -2 do 10 -9 ÷ 10 -14.
Każda część widma elektromagnetycznego ma szeroki zakres zastosowań w naszym codziennym życiu:
- Fale krótkie (mikrofale). Te fale elektryczne są wykorzystywane jako sygnał satelitarny, ponieważ są w stanie ominąć atmosferę ziemską. Do ogrzewania i gotowania w kuchni służy również nieco ulepszona wersja - jest to kuchenka mikrofalowa. Zasada gotowania jest prosta – pod wpływem promieniowania mikrofalowego cząsteczki wody są pochłaniane i przyspieszane, co powoduje nagrzewanie się naczynia.
- W technice radiowej wykorzystuje się długie zakłócenia (fale radiowe). Ich częstotliwość nie pozwala na przenikanie chmur i atmosfery, dzięki czemu radio i telewizja FM są dla nas dostępne.
- Zakłócenia w podczerwieni są bezpośrednio związane z ciepłem. Prawie nie da się go zobaczyć. Spróbuj zauważyć wiązkę z panelu sterowania telewizora, zestawu stereo lub radia samochodowego bez specjalnego sprzętu. Urządzenia zdolne do odczytania takich fal są używane w armiach krajów (noktowizory). Również w kuchenkach indukcyjnych w kuchniach.
- Ultrafiolet jest również powiązany z ciepłem. Najpotężniejszym naturalnym „generatorem” takiego promieniowania jest słońce. To w wyniku działania promieniowania ultrafioletowego na ludzkiej skórze powstaje opalenizna. W medycynie tego typu fale wykorzystuje się do dezynfekcji instrumentów, zabijania zarazków i.
- Promienie gamma są najpotężniejszym rodzajem promieniowania, w którym skupiają się zakłócenia krótkofalowe o wysokiej częstotliwości. Energia zawarta w tej części widma elektromagnetycznego nadaje promieniom większą siłę przenikania. Zastosowanie w fizyce jądrowej - pokojowe, broń nuklearna- zastosowanie bojowe.
Wpływ fal elektromagnetycznych na zdrowie człowieka
Za pomiar wpływu pola elektromagnetycznego na ludzi odpowiadają naukowcy. Ale nie trzeba być specjalistą, aby ocenić intensywność promieniowania jonizującego - wywołuje ono zmiany na poziomie ludzkiego DNA, co pociąga za sobą tak poważne choroby, jak onkologia.
Nie bez powodu szkodliwe skutki katastrofy elektrowni jądrowej w Czarnobylu uważane są za jedne z najniebezpieczniejszych dla przyrody. Kilka kilometrów kwadratowych niegdyś pięknego terytorium stało się strefą całkowitego wykluczenia. Do końca stulecia wybuch w elektrowni jądrowej w Czarnobylu stwarzał zagrożenie aż do zakończenia okresu półtrwania radionuklidów.
Niektóre rodzaje mikrofal (radiowe, podczerwone, ultrafioletowe) nie powodują poważnych szkód dla osoby, a jedynie powodują dyskomfort. W końcu pole magnetyczne Ziemi praktycznie nie jest przez nas odczuwalne, ale może powodować emf z telefonu komórkowego ból głowy(wpływ na układ nerwowy).
Aby chronić swoje zdrowie przed promieniowaniem elektromagnetycznym, należy po prostu zachować rozsądne środki ostrożności. Zamiast setek godzin gra komputerowa wyjść na spacer.
Wiele wzorów procesów falowych ma charakter uniwersalny i dotyczy w równym stopniu fal o różnym charakterze: fal mechanicznych w ośrodku sprężystym, fal na powierzchni wody, w rozciągniętej strunie itp. Fale elektromagnetyczne, które są procesem propagacji oscylacje pola elektromagnetycznego nie są wyjątkiem. Ale w przeciwieństwie do innych rodzajów fal, których propagacja zachodzi w jakimś ośrodku materialnym, fale elektromagnetyczne mogą rozprzestrzeniać się w pustce: do propagacji pól elektrycznych i magnetycznych nie jest potrzebny żaden ośrodek materialny. Fale elektromagnetyczne mogą jednak istnieć nie tylko w próżni, ale także w materii.
Przewidywanie fal elektromagnetycznych. Istnienie fal elektromagnetycznych zostało teoretycznie przewidziane przez Maxwella w wyniku analizy zaproponowanego przez niego układu równań opisujących pole elektromagnetyczne. Maxwell pokazał, że pole elektromagnetyczne w próżni może istnieć w przypadku braku źródeł – ładunków i prądów. Pole bez źródeł ma postać fal rozchodzących się ze skończoną prędkością cm/s, w których wektory pól elektrycznego i magnetycznego w każdym momencie w każdym punkcie przestrzeni są do siebie prostopadłe i prostopadłe do kierunku propagacja fal.
Fale elektromagnetyczne zostały eksperymentalnie odkryte i zbadane przez Hertza zaledwie 10 lat po śmierci Maxwella.
Otwarty wibrator. Aby zrozumieć, w jaki sposób można uzyskać fale elektromagnetyczne eksperymentalnie, rozważ „otwarty” obwód oscylacyjny, w którym płytki kondensatora są rozsuwane (ryc. 176), w związku z czym pole elektryczne zajmuje dużą powierzchnię. Wraz ze wzrostem odległości między płytami pojemność C kondensatora maleje i zgodnie ze wzorem Thomsona wzrasta częstotliwość drgań własnych. Jeśli zastąpisz także cewkę kawałkiem drutu, indukcyjność zmniejszy się, a częstotliwość drgań własnych wzrośnie jeszcze bardziej. W tym przypadku nie tylko pole elektryczne, ale także pole magnetyczne, które wcześniej było zawarte wewnątrz cewki, będzie teraz zajmować dużą powierzchnię przestrzeni pokrywającą ten przewód.
Wzrost częstotliwości oscylacji w obwodzie, a także wzrost jego wymiarów liniowych prowadzi do tego, że okres naturalny
oscylacje stają się porównywalne z czasem propagacji pola elektromagnetycznego w całym obwodzie. Oznacza to, że procesów naturalnych oscylacji elektromagnetycznych w takim obwodzie otwartym nie można już uważać za quasi-stacjonarne.
Ryż. 176. Przejście z obwodu oscylacyjnego na wibrator otwarty
Siła prądu w różnych miejscach jednocześnie jest różna: na końcach obwodu zawsze wynosi zero, a w środku (tam, gdzie wcześniej znajdowała się cewka) oscyluje z maksymalną amplitudą.
W skrajnym przypadku, gdy obwód oscylacyjny po prostu zamienił się w kawałek prostego drutu, rozkład prądu w obwodzie w pewnym momencie pokazano na ryc. 177a. W momencie, gdy natężenie prądu w takim wibratorze jest maksymalne, otaczające go pole magnetyczne również osiąga maksimum, a w pobliżu wibratora nie ma pola elektrycznego. Po jednej czwartej okresu natężenie prądu spada do zera, a wraz z nim pole magnetyczne w pobliżu wibratora; ładunki elektryczne skupiają się w pobliżu końcówek wibratora, a ich rozkład ma postać pokazaną na rys. 1776. Pole elektryczne w pobliżu wibratora w tym momencie jest maksymalne.
Ryż. 177. Rozkład prądu wzdłuż otwartego wibratora w momencie jego maksimum (a) i rozkład ładunków po jednej czwartej okresu (b)
Te oscylacje ładunku i prądu, tj. oscylacje elektromagnetyczne w otwartym wibratorze, są dość podobne do oscylacji mechanicznych, które mogą wystąpić w sprężynie oscylatora, jeśli usunie się przymocowany do niej masywny korpus. W takim przypadku będziesz musiał wziąć pod uwagę masę poszczególne części sprężyny i uważają go za układ rozproszony, w którym każdy element ma zarówno właściwości sprężyste, jak i obojętne. W przypadku otwartego wibratora elektromagnetycznego każdy z jego elementów ma jednocześnie zarówno indukcyjność, jak i pojemność.
Elektryczne i pole magnetyczne wibrator. Niequasi-stacjonarny charakter drgań w wibratorze otwartym powoduje, że pola wytwarzane przez poszczególne jego sekcje w pewnej odległości od wibratora nie kompensują się już wzajemnie, jak ma to miejsce w przypadku „zamkniętego” obwodu oscylacyjnego o parametry skupione, gdzie oscylacje są quasi-stacjonarne, pole elektryczne jest całkowicie skoncentrowane wewnątrz kondensatora, a magnetyczne wewnątrz cewki. Ze względu na przestrzenne oddzielenie pól elektrycznych i magnetycznych, nie są one ze sobą bezpośrednio powiązane: ich wzajemne przekształcenie następuje jedynie pod wpływem prądu – przenoszenia ładunku wzdłuż obwodu.
W otwartym wibratorze, gdzie pola elektryczne i magnetyczne nakładają się w przestrzeni, następuje ich wzajemne oddziaływanie: zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne, a zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. W rezultacie okazuje się, że możliwe jest istnienie takich „samopodtrzymujących się” i rozprzestrzeniających się wolna przestrzeń pola w dużej odległości od wibratora. Są to fale elektromagnetyczne emitowane przez wibrator.
Eksperymenty Hertza. Wibrator, za pomocą którego G. Hertz po raz pierwszy w 1888 r. uzyskał eksperymentalnie fale elektromagnetyczne, był prostym przewodnikiem z małą szczeliną powietrzną pośrodku (ryc. 178a). Dzięki tej szczelinie możliwe było przekazanie znacznych ładunków obu połówkom wibratora. Kiedy różnica potencjałów osiągnęła określoną wartość graniczną, nastąpiło przebicie w szczelinie powietrznej (przeskoczyła iskra) i ładunki elektryczne przez zjonizowane powietrze mogły przedostać się z jednej połówki wibratora na drugą. W obwodzie otwartym powstały oscylacje elektromagnetyczne. Aby zapewnić, że szybkie prądy przemienne występują tylko w wibratorze i nie są zwierane przez źródło zasilania, między wibratorem a źródłem podłącza się dławiki (patrz ryc. 178a).
Ryż. 178. Wibrator Hertz
Drgania o wysokiej częstotliwości w wibratorze istnieją tak długo, jak iskra zamyka szczelinę między jej połówkami. Tłumienie takich drgań w wibratorze następuje głównie nie na skutek strat rezystancji Joule'a (jak w zamkniętym obwodzie oscylacyjnym), ale na skutek promieniowania fal elektromagnetycznych.
Aby wykryć fale elektromagnetyczne, Hertz użył drugiego wibratora (odbiorczego) (ryc. 1786). Pod wpływem zmiennego pola elektrycznego fali pochodzącej z emitera elektrony w wibratorze odbiorczym wykonują wymuszone oscylacje, tj. W wibratorze wzbudzany jest szybko zmienny prąd. Jeżeli wymiary wibratora odbiorczego są takie same jak wibratora emitującego, wówczas częstotliwości naturalnych oscylacji elektromagnetycznych w nich pokrywają się, a wymuszone oscylacje w wibratorze odbiorczym osiągają zauważalną wartość w wyniku rezonansu. Hertz wykrył te oscylacje poprzez wślizgnięcie się iskry w mikroskopijną szczelinę pośrodku wibratora odbiorczego lub przez blask miniaturowej rurki wyładowczej G połączonej pomiędzy połówkami wibratora.
Hertz nie tylko eksperymentalnie udowodnił istnienie fal elektromagnetycznych, ale po raz pierwszy zaczął badać ich właściwości - absorpcję i załamanie w różnych ośrodkach, odbicie od powierzchnie metalowe itp. Eksperymentalnie udało się także zmierzyć prędkość fal elektromagnetycznych, która okazała się równa prędkości światła.
Zbieżność prędkości fal elektromagnetycznych z prędkością światła zmierzoną na długo przed ich odkryciem stała się punktem wyjścia do utożsamienia światła z falami elektromagnetycznymi i stworzenia elektromagnetycznej teorii światła.
Fala elektromagnetyczna istnieje bez źródeł pola w tym sensie, że po jej emisji pole elektromagnetyczne fali nie jest powiązane ze źródłem. Tym właśnie różni się fala elektromagnetyczna od statycznych pól elektrycznych i magnetycznych, które nie istnieją poza źródłem.
Mechanizm promieniowania fal elektromagnetycznych. Emisja fal elektromagnetycznych następuje podczas przyspieszonego ruchu ładunków elektrycznych. Możesz zrozumieć, w jaki sposób poprzeczne pole elektryczne fali powstaje z promieniowego pola kulombowskiego ładunku punktowego, korzystając z następującego prostego rozumowania zaproponowanego przez J. Thomsona.
Ryż. 179. Pole stacjonarnego ładunku punktowego
Rozważmy pole elektryczne wytworzone przez ładunek punktowy. Jeśli ładunek znajduje się w spoczynku, jego pole elektrostatyczne przedstawiają promieniowe linie siły emanujące z ładunku (ryc. 179). Niech w pewnym momencie ładunek pod wpływem jakiejś siły zewnętrznej zacznie poruszać się z przyspieszeniem a, a po pewnym czasie działanie tej siły ustanie, tak że ładunek będzie poruszał się równomiernie z prędkością ruchu ładunku pokazano na ryc. 180.
Wyobraźmy sobie obraz linii pola elektrycznego wytworzonego przez ten ładunek po długim czasie. Ponieważ pole elektryczne rozchodzi się z prędkością światła c,
wówczas zmiana pola elektrycznego spowodowana ruchem ładunku nie mogła dotrzeć do punktów leżących poza sferą promienia: poza tą kulą pole jest takie samo jak przy ładunku stacjonarnym (ryc. 181). Siła tego pola (w układzie jednostek Gaussa) jest równa
Cała zmiana pola elektrycznego spowodowana przyspieszonym ruchem ładunku w czasie w danej chwili czasu zlokalizowana jest wewnątrz cienkiej sferycznej warstwy o grubości, której promień zewnętrzny jest równy promieniowi wewnętrznemu - pokazano to na rys. 181. Wewnątrz kuli o promieniu pole elektryczne jest polem poruszającego się ruchem jednostajnym ładunku.
Ryż. 180. Wykres prędkości ładowania
Ryż. 181. Linie natężenia pola elektrycznego ładunku poruszającego się według wykresu na ryc. 180
Ryż. 182. Wyprowadzić wzór na natężenie pola promieniowania przyspieszonego poruszającego się ładunku
Jeżeli prędkość ładunku jest znacznie mniejsza od prędkości światła c, to pole to w chwili czasu pokrywa się z polem nieruchomego ładunku punktowego znajdującego się w pewnej odległości od początku (ryc. 181): polem ładunku punktowego ładunek wolno poruszający się ze stałą prędkością porusza się wraz z nim, a odległość przebyta przez ładunek w czasie, co widać na ryc. 180, można uznać za równe, jeśli g»t.
Rozkład pola elektrycznego wewnątrz warstwy sferycznej jest łatwy do znalezienia, biorąc pod uwagę ciągłość linii pola. Aby to zrobić, musisz połączyć odpowiednie promieniowe linie siły (ryc. 181). Spowodowane przyspieszonym ruchem ładunku załamanie linii siły „ucieka” od ładunku z prędkością c. Przerwa w liniach energetycznych pomiędzy
kule, jest to interesujące nas pole promieniowania, rozchodzące się z prędkością c.
Aby znaleźć pole promieniowania, rozważ jedną z linii natężenia, która tworzy pewien kąt z kierunkiem ruchu ładunku (ryc. 182). Rozłóżmy wektor natężenia pola elektrycznego na zerwaniu E na dwie składowe: promieniową i poprzeczną. Składowa promieniowa to siła pola elektrostatycznego wytworzonego przez ładunek znajdujący się w pewnej odległości od niego:
Składową poprzeczną jest natężenie pola elektrycznego w fali emitowanej przez ładunek podczas ruchu przyspieszonego. Ponieważ fala ta rozchodzi się po promieniu, wektor jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Z ryc. 182 jest to jasne
Podstawiając tutaj z (2), znajdujemy
Biorąc pod uwagę, że stosunek jest przyspieszeniem a, z jakim poruszał się ładunek w czasie od 0 do, przepisujemy to wyrażenie w postaci
Przede wszystkim zwróćmy uwagę na fakt, że natężenie pola elektrycznego fali maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości od środka, w przeciwieństwie do natężenia pola elektrostatycznego, które jest proporcjonalne do takiej zależności od odległości, jakiej można by się spodziewać jeśli weźmiemy pod uwagę prawo zachowania energii. Ponieważ fala rozchodząca się w próżni nie pochłania energii, ilość energii przechodzącej przez kulę o dowolnym promieniu jest taka sama. Ponieważ powierzchnia kuli jest proporcjonalna do kwadratu jej promienia, przepływ energii przez jednostkę jej powierzchni musi być odwrotnie proporcjonalny do kwadratu promienia. Biorąc pod uwagę, że gęstość energii pola elektrycznego fali jest równa, dochodzimy do wniosku, że
Następnie zauważamy, że natężenie pola fali we wzorze (4) w chwili czasu zależy od przyspieszenia ładunku i w tej chwili wyemitowana fala osiąga punkt położony w pewnej odległości za czas równy
Promieniowanie ładunku oscylującego. Załóżmy teraz, że ładunek porusza się stale po linii prostej z pewnym zmiennym przyspieszeniem w pobliżu początku współrzędnych, np. wykonuje oscylacje harmoniczne. Wtedy będzie emitował fale elektromagnetyczne w sposób ciągły. Natężenie pola elektrycznego fali w punkcie oddalonym od początku współrzędnych jest nadal określone wzorem (4), a natężenie pola w chwili czasu zależy od przyspieszenia ładunku a we wcześniejszej chwili
Niech ruch ładunku będzie oscylacją harmoniczną w pobliżu początku współrzędnych o określonej amplitudzie A i częstotliwości co:
Przyspieszenie ładunku podczas takiego ruchu wyraża się wzorem
Podstawiając przyspieszenie ładunku do wzoru (5) otrzymujemy
Zmiana pola elektrycznego w dowolnym momencie przejścia takiej fali reprezentuje oscylację harmoniczną z częstotliwością, co oznacza, że oscylujący ładunek emituje falę monochromatyczną. Oczywiście wzór (8) obowiązuje na odległościach dużych w porównaniu z amplitudą oscylacji ładunku A.
Energia fali elektromagnetycznej. Gęstość energii pola elektrycznego fali monochromatycznej emitowanej przez ładunek można wyznaczyć ze wzoru (8):
Gęstość energii jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy oscylacji ładunku i czwartej potęgi częstotliwości.
Wszelkie wahania wiążą się z okresowymi przejściami energii z jednego rodzaju na drugi i z powrotem. Przykładowo oscylacjom oscylatora mechanicznego towarzyszą wzajemne przemiany energii kinetycznej i potencjalnej odkształcenia sprężystego. Badając oscylacje elektromagnetyczne w obwodzie, widzieliśmy, że analogiem energii potencjalnej oscylatora mechanicznego jest energia pola elektrycznego w kondensatorze, a analogiem energii kinetycznej jest energia pola magnetycznego cewki. Ta analogia dotyczy nie tylko lokalnych oscylacji, ale także procesów falowych.
W fali monochromatycznej poruszającej się w ośrodku sprężystym gęstości energii kinetycznej i potencjalnej w każdym punkcie podlegają oscylacjom harmonicznym z dwukrotnie większą częstotliwością, tak że ich wartości w dowolnym momencie pokrywają się. To samo dotyczy przemieszczającej się monochromatycznej fali elektromagnetycznej: gęstości energii pól elektrycznych i magnetycznych, wykonujących oscylacje harmoniczne z częstotliwością równą sobie w każdym punkcie w dowolnym momencie.
Gęstość energii pola magnetycznego wyraża się w postaci indukcji B w następujący sposób:
Przyrównując gęstości energii pola elektrycznego i magnetycznego w przemieszczającej się fali elektromagnetycznej, jesteśmy przekonani, że indukcja pola magnetycznego w takiej fali zależy od współrzędnych i czasu w taki sam sposób, jak natężenie pola elektrycznego. Innymi słowy, w fali biegnącej indukcja pola magnetycznego i natężenie pola elektrycznego są sobie równe w dowolnym punkcie i czasie (w układzie jednostek Gaussa):
Przepływ energii fali elektromagnetycznej. Całkowita gęstość energii pola elektromagnetycznego w fali bieżącej jest dwukrotnie większa od gęstości energii pola elektrycznego (9). Gęstość strumienia energii y niesionego przez falę jest równa iloczynowi gęstości energii i prędkości propagacji fali. Korzystając ze wzoru (9) widać, że przepływ energii przez dowolną powierzchnię oscyluje z częstotliwością. Aby znaleźć średnią wartość gęstości strumienia energii, należy uśrednić wyrażenie (9) w czasie. Ponieważ średnia wartość wynosi 1/2, to otrzymujemy
Ryż. 183. Rozkład kątowy energii emitowanej przez oscylujący ładunek
Gęstość strumienia energii w fali zależy od kierunku: w kierunku, w którym oscyluje ładunek, energia nie jest emitowana w ogóle. Największa ilość energii jest emitowana w płaszczyźnie prostopadłej do tego kierunku. Rozkład kątowy emitowanej energii przez oscylujący ładunek, co pokazano na ryc. 183. Ładunek oscyluje wzdłuż osi. Z początku współrzędnych rysowane są odcinki, których długość jest proporcjonalna do promieniowania emitowanego w danym
kierunek energii, tj. na schemacie przedstawiono linię łączącą końce tych odcinków.
Rozkład energii wzdłuż kierunków w przestrzeni charakteryzuje się powierzchnią, którą uzyskuje się poprzez obrót diagramu wokół osi
Polaryzacja fal elektromagnetycznych. Falę wytwarzaną przez wibrator podczas drgań harmonicznych nazywa się monochromatyczną. Fala monochromatyczna charakteryzuje się określoną częstotliwością с i długością fali X. Długość fali i częstotliwość są powiązane poprzez prędkość propagacji fali za pomocą:
Fala elektromagnetyczna w próżni jest poprzeczna: wektor natężenia pola elektromagnetycznego fali, jak widać z powyższych argumentów, jest prostopadły do kierunku propagacji fali. Przejdźmy przez punkt obserwacyjny P na ryc. 184 kula ze środkiem na początku współrzędnych, wokół której promieniujący ładunek oscyluje wzdłuż swojej osi. Narysujmy na nim równoleżniki i południki. Wówczas wektor E pola falowego będzie skierowany stycznie do południka, a wektor B będzie prostopadły do wektora E i skierowany stycznie do równoleżnika.
Aby to zweryfikować, rozważmy bardziej szczegółowo związek między polami elektrycznymi i magnetycznymi w fali biegnącej. Pola te po wyemitowaniu fali nie są już kojarzone ze źródłem. Kiedy zmienia się pole elektryczne fali, pojawia się pole magnetyczne, którego linie pola, jak widzieliśmy podczas badania prądu przemieszczenia, są prostopadłe do linii pola elektrycznego. To zmienne pole magnetyczne, zmieniając się, prowadzi z kolei do pojawienia się wirowego pola elektrycznego, które jest prostopadłe do pola magnetycznego, które je wygenerowało. Zatem w miarę rozchodzenia się fali pola elektryczne i magnetyczne wspierają się wzajemnie, pozostając przez cały czas wzajemnie prostopadłe. Ponieważ w fali biegnącej zmiany pól elektrycznych i magnetycznych zachodzą w fazie względem siebie, chwilowy „portret” fali (wektory E i B w różnych punktach linii wzdłuż kierunku propagacji) ma postać pokazaną na ryc. . 185. Falę taką nazywamy spolaryzowaną liniowo. Ładunek wykonujący oscylacje harmoniczne emituje fale spolaryzowane liniowo we wszystkich kierunkach. W fali spolaryzowanej liniowo, przemieszczającej się w dowolnym kierunku, wektor E leży zawsze w tej samej płaszczyźnie.
Ponieważ ładunki w liniowym wibratorze elektromagnetycznym podlegają właśnie temu ruchowi oscylacyjnemu, fala elektromagnetyczna emitowana przez wibrator jest spolaryzowana liniowo. Można to łatwo sprawdzić eksperymentalnie, zmieniając orientację wibratora odbierającego względem emitującego.
Ryż. 185. Pola elektryczne i magnetyczne w przemieszczającej się fali spolaryzowanej liniowo
Sygnał jest największy, gdy wibrator odbiorczy jest równoległy do wibratora nadawczego (patrz ryc. 178). Jeśli wibrator odbiorczy zostanie obrócony prostopadle do wibratora nadawczego, sygnał zaniknie. Wibracje elektryczne w wibratorze odbiorczym mogą pojawić się jedynie na skutek składowej pola elektrycznego fali skierowanej wzdłuż wibratora. Dlatego taki eksperyment wskazuje, że pole elektryczne w fali jest równoległe do promieniującego wibratora.
Możliwe są także inne rodzaje polaryzacji poprzecznych fal elektromagnetycznych. Jeśli na przykład wektor E w pewnym momencie przejścia fali równomiernie obraca się wokół kierunku propagacji, pozostając niezmieniony pod względem wielkości, wówczas falę nazywa się spolaryzowaną kołowo lub spolaryzowaną kołowo. Chwilowy „portret” pola elektrycznego takiej fali elektromagnetycznej pokazano na ryc. 186.
Ryż. 186. Pole elektryczne w przemieszczającej się fali spolaryzowanej kołowo
Falę spolaryzowaną kołowo można otrzymać poprzez dodanie dwóch fal spolaryzowanych liniowo o tej samej częstotliwości i amplitudzie, rozchodzących się w tym samym kierunku, w których wektory pola elektrycznego są wzajemnie prostopadłe. W każdej fali wektor pola elektrycznego w każdym punkcie podlega oscylacjom harmonicznym. Aby dodanie takich wzajemnie prostopadłych oscylacji spowodowało obrót powstałego wektora, konieczne jest przesunięcie fazowe, innymi słowy, dodanie fal spolaryzowanych liniowo musi zostać przesunięte względem siebie o jedną czwartą długości fali.
Impuls falowy i lekki nacisk. Oprócz energii fala elektromagnetyczna ma również pęd. Jeśli fala zostanie pochłonięta, wówczas jej pęd zostanie przeniesiony na obiekt, który ją pochłania. Wynika z tego, że pochłonięta fala elektromagnetyczna wywiera nacisk na barierę. Pochodzenie ciśnienia falowego i wielkość tego ciśnienia można wyjaśnić w następujący sposób.
Skierowany w jedną linię prostą. Wtedy moc P pochłonięta przez ładunek jest równa
Zakładamy, że cała energia padającej fali jest pochłaniana przez barierę. Ponieważ fala przynosi energię na jednostkę powierzchni przeszkody w jednostce czasu, ciśnienie wywierane przez falę podczas normalnego padania jest równe gęstości energii fali. Siła nacisku pochłoniętej fali elektromagnetycznej wywiera na przeszkodę jednostkowy czas impuls równy, zgodnie ze wzorem (15), energii pochłoniętej podzielonej przez prędkość światła c . Oznacza to, że zaabsorbowana fala elektromagnetyczna miała pęd równy energii podzielonej przez prędkość światła.
Po raz pierwszy ciśnienie fal elektromagnetycznych odkrył eksperymentalnie P. N. Lebiediew w 1900 roku w niezwykle subtelnych eksperymentach.
Czym quasi-stacjonarne oscylacje elektromagnetyczne w zamkniętym obwodzie oscylacyjnym różnią się od oscylacji o wysokiej częstotliwości w otwartym wibratorze? Podaj analogię mechaniczną.
Wyjaśnij, dlaczego fale elektromagnetyczne nie są emitowane podczas quasi-stacjonarnych oscylacji elektromagnetycznych w obwodzie zamkniętym. Dlaczego promieniowanie powstaje podczas oscylacji elektromagnetycznych w otwartym wibratorze?
Opisz i wyjaśnij doświadczenia Hertza dotyczące wzbudzania i wykrywania fal elektromagnetycznych. Jaką rolę odgrywa iskiernik w wibratorach nadawczych i odbiorczych?
Wyjaśnij, w jaki sposób podczas ruchu przyspieszonego ładunek elektryczny podłużne pole elektrostatyczne zamienia się w poprzeczne pole elektryczne emitowanej przez nie fali elektromagnetycznej.
Na podstawie rozważań dotyczących energii wykaż, że natężenie pola elektrycznego fali sferycznej emitowanej przez wibrator maleje o 1 1r (w przeciwieństwie do pola elektrostatycznego).
Co to jest monochromatyczna fala elektromagnetyczna? Co to jest długość fali? Jak to się ma do częstotliwości? Jaka jest właściwość poprzecznych fal elektromagnetycznych?
Jak nazywa się polaryzacja fali elektromagnetycznej? Jakie znasz rodzaje polaryzacji?
Jakie argumenty możesz podać, aby uzasadnić fakt, że fala elektromagnetyczna ma pęd?
Wyjaśnij rolę siły Lorentza w występowaniu siły nacisku fali elektromagnetycznej na przeszkodę.
J. Maxwell w 1864 roku stworzył teorię pola elektromagnetycznego, według której pola elektryczne i magnetyczne istnieją jako wzajemnie powiązane elementy jednej całości – pola elektromagnetycznego. W przestrzeni, w której występuje zmienne pole magnetyczne, wzbudzane jest zmienne pole elektryczne i odwrotnie.
Pole elektromagnetyczne- jeden z rodzajów materii, charakteryzujący się obecnością pól elektrycznych i magnetycznych, połączonych ciągłą wzajemną transformacją.
Pole elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni w postaci fal elektromagnetycznych. Wahania wektora napięcia mi i wektor indukcji magnetycznej B zachodzą w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali (wektor prędkości).
Fale te emitowane są przez oscylujące naładowane cząstki, które jednocześnie poruszają się w przewodniku z przyspieszeniem. Kiedy ładunek porusza się w przewodniku, powstaje zmienne pole elektryczne, które generuje zmienne pole magnetyczne, a to z kolei powoduje pojawienie się zmiennego pola elektrycznego w większej odległości od ładunku i tak dalej.
Pole elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni w czasie nazywa się fala elektromagnetyczna.
Fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się w próżni lub dowolnej innej substancji. Fale elektromagnetyczne w próżni przemieszczają się z prędkością światła c=3·10 8 m/s. W materii prędkość fali elektromagnetycznej jest mniejsza niż w próżni. Fala elektromagnetyczna przenosi energię.
Fala elektromagnetyczna ma następujące podstawowe właściwości: rozchodzi się prostoliniowo, jest zdolny do załamania, odbicia i nieodłącznie związane z nim zjawiska dyfrakcji, interferencji i polaryzacji. Wszystkie te właściwości mają fale świetlne, zajmujący odpowiedni zakres długości fal w skali promieniowania elektromagnetycznego.
Wiemy, że długość fal elektromagnetycznych może być bardzo różna. Patrząc na skalę fal elektromagnetycznych wskazującą długości fal i częstotliwości poszczególnych rodzajów promieniowania, wyróżniamy 7 zakresów: promieniowanie o niskiej częstotliwości, promieniowanie radiowe, promienie podczerwone, światło widzialne, promienie ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i promienie gamma.
- Fale o niskiej częstotliwości . Źródła promieniowania: prądy wysokiej częstotliwości, generator prądu przemiennego, maszyny elektryczne. Stosowany do topienia i hartowania metali, w produkcji magnesy trwałe, w branży elektrycznej.
- Fale radiowe powstają w antenach stacji radiowych i telewizyjnych, telefony komórkowe, radary itp. Wykorzystuje się je w radiokomunikacji, telewizji i radarach.
- Fale podczerwone Wszystkie nagrzane ciała promieniują. Zastosowanie: topienie, cięcie, spawanie metali ogniotrwałych za pomocą laserów, fotografia we mgle i ciemności, suszenie drewna, owoców i jagód, noktowizory.
- Widoczne promieniowanie. Źródła - Słońce, lampa elektryczna i fluorescencyjna, łuk elektryczny, laser. Dotyczy: oświetlenia, efektu fotograficznego, holografii.
- Promieniowanie ultrafioletowe . Źródła: Słońce, kosmos, lampa wyładowcza (kwarcowa), laser. Może zabić bakterie chorobotwórcze. Służy do utwardzania organizmów żywych.
- Promieniowanie rentgenowskie .
