Электромагнитная волна представляет собой

Электромагнитная волна представляет собой

Из созданной Максвеллом теории можно сделать вывод о том, что быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн. Причём эти волны могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Опираясь исключительно на теоретические выводы, Максвелл определил также, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью 300 000 км/с, т. е. со скоростью света (скорость света, как известно, была измерена задолго до этого).

Вы уже знаете, что в механических волнах, например в звуковых, энергия передаётся от одних частиц среды к другим. При этом частицы приходят в колебательное движение, т. е. их смещение от положения равновесия периодически меняется. Для передачи звука обязательно нужна вещественная среда.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются в веществе и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, т. е. какие физические величины периодически меняются в ней?

  • Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей

Напомним, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В.

Основной количественной характеристикой электрического поля служит векторная величина, называемая напряжённостью электрического поля, которая обозначается символом Е. Напряжённость Е электрического поля в какой-либо его точке равна отношению силы F, с которой поле действует на точечный положительный заряд, помещённый в эту точку, к значению этого заряда q.

Когда говорят, что магнитное и электрическое поля меняются, то это означает, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля В и вектор напряжённости электрического поля Е.

В электромагнитной волне именно векторы В и Е периодически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеблются.

Рис. 135. Модель электромагнитной волны: Е — напряжённость электрического поля, В — индукция магнитного поля; с — скорость волны

На рисунке 135 изображены вектор напряжённости электрического поля Е и вектор индукции магнитного поля В электромагнитной волны в один и тот же момент времени. Это как бы «моментальный снимок» волны, распространяющейся в направлении оси Z. Плоскость, проведённая через векторы В и Е в любой точке, перпендикулярна направлению распространения волны, что говорит о поперечности волны.

За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси Z на расстояние, равное длине волны. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны λ, её скоростью с, периодом Т и частотой v колебаний, что и для механических волн:

Максвелл не только научно обосновал возможность существования электромагнитных волн, но и указал, что для создания интенсивной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на некотором расстоянии от источника, необходимо, чтобы колебания векторов Е и В происходили с достаточно высокой частотой (порядка 100 000 колебаний в секунду и больше).

Генрих Герц (1857-1894)
Немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн

В 1888 г. немецкому учёному Генриху Герцу удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны. В результате опытов Герца были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом.

Всё окружающее нас пространство буквально пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и соответственно по частотам) на шесть основных диапазонов, которые представлены на рисунке 136.

Рис. 136. Шкала электромагнитных волн

Границы диапазонов весьма условны, поэтому, как видно из рисунка, в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на живые организмы. Например, инфракрасное, т. е. тепловое, излучение играет определяющую роль в поддержании жизни на Земле, поскольку люди, животные и растения могут существовать и нормально функционировать только при определённых температурах.

Читайте также:  Как приготовить брокколи для похудения

Видимый свет даёт нам информацию об окружающем мире и возможность ориентироваться в пространстве. Он необходим также для протекания процесса фотосинтеза в растениях, в результате чего выделяется кислород, необходимый для дыхания живых организмов.

Влияние на человека ультрафиолетового излучения (вызывающего загар) в большой степени определяется интенсивностью и продолжительностью облучения. В допустимых дозах оно повышает сопротивляемость организма человека к различным заболеваниям, в частности инфекционным. Превышение допустимой дозы может вызвать ожоги кожи, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета, повреждение сетчатки глаз. Глаза можно защитить с помощью стеклянных очков (как тёмных, так и прозрачных, но не пластиковых), так как стекло поглощает значительную часть ультрафиолетовых лучей.

Вы знакомы и с рентгеновским излучением, в частности с его широким применением в медицине — флюорографическое обследование или рентгеновский снимок наверняка делали каждому из вас. Но слишком большие дозы или частые обследования с помощью рентгеновских лучей могут вызвать серьёзные заболевания.

Получение электромагнитных волн имеет огромное научное и практическое значение. В этом можно убедиться на примере всего лишь одного диапазона — радиоволн, применяемых для телевизионной и радиосвязи, в радиолокации (т. е. для обнаружения объектов и измерения расстояния до них), в радиоастрономии и других сферах деятельности.

Вопросы

  1. Какие выводы относительно электромагнитных волн можно сделать из теории Максвелла?
  2. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?
  3. Какие соотношения между длиной волны, её скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?
  4. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы её можно было зарегистрировать?
  5. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?
  6. Приведите примеры применения разных диапазонов электромагнитных волн и их воздействия на живые организмы.

Упражнение

  1. На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?
  2. Радиосигнал, посланный с Земли на Луну, может отразиться от поверхности Луны и вернуться на Землю. Предложите способ измерения расстояния между Землёй и Луной с помощью радиосигнала.

Указание: задача решается таким же методом, каким измеряется глубина моря с помощью эхолокации (см. § 30).

  • Можно ли измерить расстояние между Землёй и Луной с помощью звуковой или ультразвуковой волны? Ответ обоснуйте.
  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — электромагнитные колебания, распространяющиеся в пр ве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано англ. физиком М. Фарадеем в 1832. Англ. физик Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что эл. магн. колебания распространяются в… … Физическая энциклопедия

    Электромагнитные волны — Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн (цифрами указаны длины волн в метрах). ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ, электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме скорость… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

    ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фа радеем (М. Faraday) в 1832. Дж. Максвелл (J. Maxwell) в 1865 теоретически показал, что эл. магн. колебания… … Физическая энциклопедия

    ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме Скорость распространения электромагнитной волны с 300000 км/с (см. Скорость света). В однородных изотропных средах направления… … Большой Энциклопедический словарь

    ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — (Electromagnetic waves). В пространстве, окружающем провод, по которому течет постоянный или переменный ток, возникает особое состояние среды, называемое электромагнитным полем. Если переменный ток имеет высокую частоту, а провод достаточно… … Морской словарь

    Электромагнитные волны — процесс распространения взаимосвязанных друг с другом электрического и магнитного полей, сопровождающийся переносом электромагнитной энергии. Источник: ГОСТ Р 51317.4.3 99 (МЭК 61000 4 3 95). Государственный стандарт Российской Федерации.… … Официальная терминология

    Электромагнитные волны — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия

    Читайте также:  Эхопризнаки хронического периаднексита

    электромагнитные волны — ▲ поперечные волны ↑ эфир электромагнитные волны поперечные колебания эфира; испускаются ускоренно движущимся электрическим зарядом. квант. гамма квант. радиоволны. тепловое излучение электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней… … Идеографический словарь русского языка

    электромагнитные волны — elektromagnetinės bangos statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Elektromagnetinių laukų virpesiai, plintantys aplinka baigtiniu greičiu priklausomai nuo aplinkos savybių; tuštumoje jos plinta šviesos greičiu (apie 300 tūkst … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas

    Электромагнитные волны — Электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фарадеем (См. Фарадей) в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не… … Большая советская энциклопедия

    См. также: Портал:Физика

    Электромагни́тные во́лны / электромагни́тное излуче́ние — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. [1]

    Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

    Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом своё поведение).

    Содержание

    Характеристики электромагнитного излучения [ править | править код ]

    Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

    Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света [2] .

    Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий [3] ; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

    Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной [4] из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

    Читайте также:  Спираль против беременности

    Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

    • наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поляE и вектора напряжённости магнитного поляH.
    Виды энергии:
    Механическая Потенциальная
    Кинетическая
    ‹ ♦ › Внутренняя
    Электромагнитная Электрическая
    Магнитная
    Химическая
    Ядерная
    G <displaystyle G> Гравитационная
    ∅ <displaystyle emptyset > Вакуума
    Гипотетические:
    Тёмная
    См.также:Закон сохранения энергии
    • электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

    Диапазоны электромагнитного излучения [ править | править код ]

    Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

    Название диапазона Длины волн, λ Частоты, f Источники
    Радиоволны Сверхдлинные более 10 км менее 30 кГц Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь.
    Длинные 10 км — 1 км 30 кГц — 300 кГц
    Средние 1 км — 100 м 300 кГц — 3 МГц
    Короткие 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц
    Ультракороткие 10 м — 0,1 мм 30 МГц — 3000 ГГц [5]
    Инфракрасное излучение 1 мм — 780 нм 300 ГГц — 429 ТГц Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
    Видимое излучение 780—380 нм 429 ТГц — 750 ТГц
    Ультрафиолетовое 380нм — 10нм 7,5⋅10 14 Гц — 3⋅10 16 Гц Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
    Рентгеновские 10 нм — 5 пм 3⋅10 16 Гц — 6⋅10 19 Гц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
    Гамма менее 5 пм более 6⋅10 19 Гц Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

    Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и децимиллиметровые волны (гипервысокие частоты, ГВЧ, 300—3000 ГГц) — стандартные диапазоны радиоволн по общепринятой классификации [5] . По другой классификации указанные стандартные диапазоны радиоволн, исключая метровые волны, называют микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ) [6] .

    Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ , а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ . В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

    Радиоволны [ править | править код ]

    Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.

    Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

    Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock detector