Що таке електромагнітні хвилі?

Електромагнітне випромінювання (електромагнітні хвилі) – розповсюджується в просторі обурення електричних і магнітних полів.

В залежності від довжини хвилі розрізняють гамма-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове випромінювання, видиме світло, інфрачервоне випромінювання, радіохвилі і низькочастотні електромагнітні коливання.

Може здатися дивним, що зовні такі різні фізичні явища мають спільну основу. У самому справі, що спільного між шматочком радіоактивної речовини, рентгенівською трубкою, ртутної газорозрядної лампою, лампочкою ліхтарика, теплою грубкою, радіомовною станцією і генератором змінного струму, підключеним до лінії електропередачі? Як, втім, і між фотоплівкою, оком, термопарою, телевізійною антеною і радіоприймачем. Тим не менш, перший список складається з джерел, а другий – з приймачів електромагнітного випромінювання. Впливу різних видів випромінювання на організм людини теж різні: гамма-і рентгенівське випромінювання пронизують його, викликаючи пошкодження тканин, видиме світло викликає зорове відчуття в оці, інфрачервоне випромінювання, падаючи на тіло людини, нагріває його, а радіохвилі і електромагнітні коливання низьких частот людським організмом і зовсім не відчуваються. Незважаючи на ці явні відмінності, всі названі види випромінювань – по суті різні сторони одного явища.

Швидкість розповсюдження у вільному просторі однакова для всіх типів електромагнітних хвиль від гамма-променів до хвиль низькочастотного діапазону. Але число коливань в одиницю часу (тобто частота f) Змінюється в дуже широких межах: від декількох коливань у секунду для електромагнітних хвиль низькочастотного діапазону до 1020 коливань в секунду в разі рентгенівського і гамма-випромінювань. Оскільки довжина хвилі дається виразом l = с / f, вона теж змінюється в широких межах – від декількох тисяч кілометрів для низькочастотних коливань до 10-14 м для рентгенівського і гамма-випромінювань. Саме тому взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною настільки різна у різних частинах їхнього спектра. І все ж усі ці хвилі споріднені між собою. Електромагнітні хвилі істотно відрізняються від хвиль на воді і від звуку тим, що їх можна передати від джерела до приймача через вакуум або міжзоряний простір. Наприклад, рентгенівські промені, що виникають у вакуумній трубці, впливають на фотоплівку, розташовану далеко від неї, тоді як звук дзвоника, який перебуває під ковпаком, почути неможливо, якщо відкачати повітря з-під ковпака. Око сприймає йдуть від Сонця промені видимого світла, а розташована на Землі антена – радіосигнали віддаленого на мільйони кілометрів космічного апарату. Таким чином, ніякої матеріальної середовища, на зразок води або повітря, для розповсюдження електромагнітних хвиль не потрібно.

Джерела електромагнітного випромінювання. Незважаючи на фізичні відмінності, у всіх джерелах електромагнітного випромінювання, будь то радіоактивну речовину, лампа розжарювання або телевізійний передавач, це випромінювання порушується рухаються з прискоренням електричними зарядами. Розрізняють два основних типи джерел. У «мікроскопічних» джерелах заряджені частинки стрибками переходять з одного енергетичного рівня на інший усередині атомів або молекул. Випромінювачі такого типу випускають гамма-, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме й інфрачервоне, а в деяких випадках і ще більш довгохвильове випромінювання (прикладом останнього може служити лінія в спектрі водню, відповідна довжині хвилі 21 см, що грає важливу роль в радіоастрономії). Джерела другого типу можна назвати макроскопічними. У них вільні електрони провідників здійснюють синхронні періодичні коливання. Електрична система може мати найрізноманітніші конфігурації та розміри.

Гамма-промені випускаються мимовільно при розпаді ядер атомів радіоактивних речовин, наприклад радію. При цьому відбуваються складні процеси зміни структури ядра, пов'язані з рухом зарядів. Генеруюча частота f визначається різницею енергій E1 і E2 двох станів ядра: f = (E1 – E2) / h, де h – постійна Планка.

Рентгенівське випромінювання виникає при бомбардуванні у вакуумі поверхні металевого анода (антикатода) електронами, що володіють великими швидкостями. Швидко вповільнюючись в матеріалі анода, ці електрони випускають так зване гальмівне випромінювання, що має безперервний спектр, а відбувається в результаті електронного бомбардування перебудова внутрішньої структури атомів анода, в результаті якої атомні електрони переходять в стан з меншою енергією, супроводжується випусканням так званого характеристичного випромінювання, частоти якого визначаються матеріалом анода.

Такі ж електронні переходи в атомі дають ультрафіолетове та видиме світлове випромінювання. Що ж стосується інфрачервоного випромінювання, то воно зазвичай є результатом змін, мало зачіпають електронну структуру та пов'язаних переважно зі змінами амплітуди коливань і обертального моменту імпульсу молекули.

У генераторах електричних коливань є «коливальний контур» того чи іншого типу, в якому електрони здійснюють вимушені коливання з частотою, що залежить від його конструкції і розмірів. Найбільш високі частоти, відповідні міліметровим і сантиметровим хвилях, генеруються клістрона і магнетронами – електровакуумні прилади з металевими об'ємними резонаторами, коливання в яких порушуються струмами електронів. У генераторах більш низьких частот коливальний контур складається з котушки індуктивності (індуктивність L) І конденсатора (ємність C) І збуджується лампової або транзисторної схемою. Власна частота такого контуру, яка при малому загасанні близька до резонансної.

Змінні поля дуже низьких частот, що використовуються для передачі електричної енергії, створюються електромашинними генераторами струму, в яких ротори, що несуть дротяні обмотки, обертаються між полюсами магнітів.

Випромінювання і поширення електромагнітних хвиль. Рухомі з прискоренням електричні заряди і періодично змінюються струми впливають один на одного з деякими силами. Величина і напрямок цих сил залежать від таких факторів, як конфігурація і розміри області, що містить заряди і струми, величина і відносний напрямок струмів, електричні властивості даного середовища і зміни в концентрації зарядів і розподілі струмів джерела. Через складність загальної постановки завдання закон сил не можна представити у вигляді однієї формули. Структура, іменована електромагнітним полем, яку при бажанні можна розглядати як чисто математичний об'єкт, визначається розподілом струмів і зарядів, створюваним заданим джерелом з урахуванням граничних умов, що визначаються формою області взаємодії і властивостями матеріалу. Коли мова йде про необмеженому просторі, ці умови доповнюються особливим граничним умовою – умовою випромінювання. Останнє гарантує «правильне» поведінку поля на нескінченності.

Електромагнітне поле характеризується вектором напруженості електричного поля E і вектором магнітної індукції B, кожен з яких в будь-якій точці простору має певну величину і напрямок. Електричне і магнітне поля тісно взаємопов'язані: вони являють собою компоненти єдиного електромагнітного поля, оскільки переходять один в одного при перетвореннях Лоренца. Кажуть, що векторне поле лінійно (плоско) поляризоване, якщо напрям вектора залишається усюди фіксованим, а його довжина періодично змінюється. Якщо вектор обертається, але довжина його не змінюється, то говорять, що поле має кругову поляризацію; якщо ж довжина вектора періодично змінюється, а сам він обертається, то поле називається еліптично поляризованим.

Прийом електромагнітних хвиль і явище розсіювання. Якщо в зоні електромагнітного поля, що поширюється від віддаленого джерела, помістити проводить циліндр, то індуковані в ньому струми будуть пропорційні напруженості електромагнітного поля і, крім того, будуть залежати від орієнтації циліндра відносно фронту падаючої хвилі і від напрямку вектора напруженості електричного поля. Якщо циліндр має вигляд дроту, діаметр якої малий у порівнянні з довжиною хвилі, то індукований струм буде максимальним, коли дріт паралельна вектору Е падаючої хвилі. Якщо дріт розрізати посередині і до утворився висновків приєднати навантаження, то до неї буде підводитися енергія, як це і має місце у випадку радіоприймача. Струми в цій дроті поводяться так само, як і змінні струми в передавальній антені, а тому вона теж випромінює поле в навколишній простір (тобто відбувається розсіяння падаючої хвилі).

Відображення і заломлення електромагнітних хвиль. Передавальну антену зазвичай встановлюють високо над поверхнею землі. Якщо антена знаходиться в сухий піщаної або скелястій місцевості, то грунт поводиться як ізолятор (діелектрик), і струми, індуковані в ньому антеною, пов'язані з внутріатомними коливаннями, оскільки тут немає вільних носіїв заряду, як у провідниках і ионизованного газах. Ці мікроскопічні коливання створюють над поверхнею землі поле відбитої від земної поверхні електромагнітної хвилі і, крім того, змінюють напрям поширення хвилі, що входить в грунт. Ця хвиля рухається з меншою швидкістю і під меншим кутом до нормалі, ніж падаюча. Таке явище називається заломленням. Якщо ж хвиля падає на ділянку поверхні землі, який має, поряд з діелектричними, також і провідні властивості, то загальна картина для преломленной хвилі виглядає набагато складніше. Як і колись, хвиля змінює напрямок руху біля кордону розділу, але тепер поле в грунті поширюється таким чином, що поверхні рівних фаз вже не збігаються з поверхнями рівних амплітуд, як це зазвичай має місце у випадку плоскої хвилі. Крім того, швидко затухає амплітуда коливань, оскільки електрони провідності при зіткненнях віддають свою енергію атомам. У результаті енергія хвильових коливань переходить в енергію хаотичного теплового руху і розсіюється. Тому там, де грунт проводить електрику, хвилі не можуть проникнути в нього на велику глибину. Те ж саме відноситься і до морської води, ніж утруднюється радіозв'язок з підводними човнами.

У верхніх шарах земної атмосфери розташовується шар іонізованого газу, який називається іоносферою. Він складається з вільних електронів і позитивно заряджених іонів. Під дією посилаються за землі електромагнітних хвиль заряджені частки іоносфери починають коливатися і випромінювати власне електромагнітне поле. Заряджені іоносферні частинки взаємодіють з надісланій хвилею приблизно так само, як і частинки діелектрика в розглянутому вище випадку. Однак електрони іоносфери не пов'язані з атомами, як в діелектрику. Вони реагують на електричне поле надісланій хвилі не миттєво, а з деяким зрушенням по фазі. В результаті хвиля в іоносфері поширюється не під меншим, як в діелектрику, а під більшим кутом до нормалі, ніж послана з землі падаюча хвиля, причому фазова швидкість хвилі в іоносфері виявляється більше швидкості світла c. Коли хвиля падає під деяким критичним кутом, кут між заломлення променем і нормаллю стає близький до прямого, а при подальшому збільшенні кута падіння випромінювання відбивається у бік Землі. Очевидно, що в цьому випадку електрони іоносфери створюють поле, яким компенсується поле преломленной хвилі у вертикальному напрямку, а іоносфера діє як дзеркало.

Енергія та імпульс випромінювання. У сучасній фізиці вибір між теорією електромагнітного поля Максвелла і теорією запізнілого дальнодії робиться на користь теорії Максвелла. До тих пір, поки нас цікавить тільки взаємодія джерела і приймача, обидві теорії однаково гарні. Однак теорія дальнодії не дає жодної відповіді на питання, де знаходиться енергія, яку вже випромінюючи джерело, але ще не прийняв приймач. Відповідно до теорії Максвелла, джерело передає енергію електромагнітної хвилі, в якій вона і знаходиться, поки не буде передана поглинула хвиля приймачу. При цьому на кожному етапі дотримується закон збереження енергії.

Таким чином, електромагнітні хвилі мають енергію (а також імпульсом), що змушує вважати їх настільки ж реальними, як, наприклад, атоми. Електрони і протони, що знаходяться на Сонце, передають енергію електромагнітному випромінюванню, в основному в інфрачервоній, видимій і ультрафіолетовій областях спектру; приблизно через 500 с, досягнувши Землі, воно цю енергію віддає: підвищується температура, в зеленому листі рослин відбувається фотосинтез, і т. д. У 1901 П. М. Лебедєв експериментально виміряв тиск світла, підтвердивши, що світло має не тільки енергію, але і імпульс (причому співвідношення між ними узгоджується з теорією Максвелла).

Фотони і квантова теорія. На рубежі 19 – 20 ст., Коли здавалося, що вичерпна теорія електромагнітного випромінювання, нарешті, побудована, природа піднесла черговий сюрприз: виявилося, що крім хвильових властивостей, описуваних теорією Максвелла, випромінювання проявляє також властивості частинок, причому тим сильніше, чим коротша довжина хвилі. Особливо яскраво ці властивості виявляються в явищі фотоефекту (вибивання електронів з поверхні металу під дією світла), відкритого в 1887 році Г.Герцем. Виявилося, що енергія кожного вибитого електрона залежить від частоти n падаючого світла, але не від його інтенсивності. Це свідчить про те, що енергія, пов'язана зі світловою хвилею, передається дискретними порціями – квантами. Якщо збільшувати інтенсивність падаючого світла, то росте число вибитих в одиницю часу електронів, але не енергія кожного з них. Іншими словами, випромінювання передає енергію певними мінімальними порціями – як би частками світла, які були названі фотонами. Фотон не має ні маси спокою, ні заряду, але володіє спіном, а також імпульсом, рівним hn / c, і енергією, рівної hn; Він переміщається у вільному просторі з постійною швидкістю c.

Вікіпедія – Електромагнітне випромінювання.

Словопедія – Що таке електромагнітне випромінювання?

Яндеск.Словарі. Енциклопедія Кругосвет – Електромагнітне випромінювання.


Category: Наука та освіта

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply