O undă electromagnetică este un sistem. Ce sunt undele electromagnetice

Progres tehnic are și reversul. Utilizarea la nivel global a diferitelor echipamente alimentate electric a provocat poluare, care este numită zgomot electromagnetic. În acest articol ne vom uita la natura acestui fenomen, gradul de impact asupra corpului uman și măsurile de protecție.

Ce este și sursele de radiații

Radiațiile electromagnetice sunt unde electromagnetice care apar atunci când un câmp magnetic sau electric este perturbat. Fizica modernă interpretează acest proces în cadrul teoriei dualității undă-particulă. Adică o porție minimă radiatie electromagnetica este un cuantic, dar în același timp are proprietăți de undă de frecvență care îi determină principalele caracteristici.

Spectrul de frecvență a radiațiilor câmp electromagnetic, ne permite să-l clasificăm în următoarele tipuri:

frecvență radio (acestea includ unde radio);
termică (infraroșu);
optic (adică vizibil pentru ochi);
radiații în spectrul ultraviolet și dur (ionizat).

O ilustrare detaliată a intervalului spectral (scara radiației electromagnetice) poate fi văzută în figura de mai jos.

Natura surselor de radiații

În funcție de originea lor, sursele de radiație a undelor electromagnetice în practica mondială sunt de obicei clasificate în două tipuri și anume:

perturbări ale câmpului electromagnetic de origine artificială;
radiatii provenite din surse naturale.

Radiațiile emanate din câmpul magnetic din jurul Pământului, procesele electrice din atmosfera planetei noastre, fuziunea nucleară în adâncurile soarelui - toate sunt de origine naturală.

Cât despre sursele artificiale, acestea efect secundar cauzate de funcționarea diferitelor mecanisme și dispozitive electrice.

Radiațiile emanate de ele pot fi de nivel scăzut și de nivel înalt. Gradul de intensitate al radiației câmpului electromagnetic depinde complet de nivelurile de putere ale surselor.

Exemple de surse cu niveluri ridicate de EMR includ:

Liniile electrice sunt de obicei de înaltă tensiune;
toate tipurile de transport electric, precum și infrastructura însoțitoare;
turnuri de televiziune și radio, precum și stații de comunicații mobile și mobile;
instalații de conversie a tensiunii rețelei electrice (în special, unde emanate de la o stație de transformare sau de distribuție);
ascensoare și alte tipuri de echipamente de ridicare care utilizează o centrală electromecanică.

Sursele tipice care emit radiații de nivel scăzut includ următoarele echipamente electrice:

aproape toate dispozitivele cu afișaj CRT (de exemplu: terminal de plată sau computer);
Tipuri variate aparate electrocasnice, începând de la fiare de călcat și terminând cu sistemele de climatizare;
sisteme de inginerie care asigură alimentarea cu energie electrică a diferitelor obiecte (aceasta include nu numai cablurile de alimentare, ci și echipamentele aferente, cum ar fi prize și contoare de electricitate).

Separat, merită subliniat echipamentele speciale folosite în medicină care emit radiații dure (aparate cu raze X, RMN etc.).

Impact asupra oamenilor

Pe parcursul a numeroase studii, radiobiologii au ajuns la o concluzie dezamăgitoare - radiația pe termen lung a undelor electromagnetice poate provoca o „explozie” a bolilor, adică determină dezvoltarea rapidă a proceselor patologice în corpul uman. Mai mult, multe dintre ele provoacă tulburări la nivel genetic.

Video: Cum afectează radiațiile electromagnetice oamenii.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q

Acest lucru se datorează faptului că câmpul electromagnetic are un nivel ridicat de activitate biologică, care afectează negativ organismele vii. Factorul de influență depinde de următoarele componente:

natura radiațiilor produse;
cât timp și cu ce intensitate continuă.

Efectul radiațiilor asupra sănătății umane, care este de natură electromagnetică, depinde direct de locație. Poate fi local sau general. În acest din urmă caz, apare expunerea pe scară largă, de exemplu, radiațiile produse de liniile electrice.

În consecință, iradierea locală se referă la expunerea la anumite zone ale corpului. unde electromagnetice emanate de la un ceas electronic sau un telefon mobil, exemplu strălucitor impact local.

Separat, este necesar să se observe efectul termic al radiațiilor electromagnetice de înaltă frecvență asupra materiei vii. Energia câmpului este convertită în energie termică (datorită vibrației moleculelor); acest efect stă la baza funcționării emițătoarelor industriale de microunde utilizate pentru încălzire. diverse substanțe. Spre deosebire de beneficii Procese de producție, efectele termice asupra corpului uman pot fi dăunătoare. Din punct de vedere radiobiologic, nu se recomandă a fi în apropierea echipamentelor electrice „cald”.

Este necesar să țineți cont de faptul că în viața de zi cu zi suntem expuși în mod regulat la radiații, iar acest lucru se întâmplă nu numai la locul de muncă, ci și acasă sau când ne deplasăm prin oraș. În timp, efectul biologic se acumulează și se intensifică. Pe măsură ce zgomotul electromagnetic crește, cantitatea de boli caracteristice creierul sau sistemul nervos. Rețineți că radiobiologia este o știință destul de tânără, așa că daunele cauzate organismelor vii de radiațiile electromagnetice nu au fost studiate în detaliu.

Figura arată nivelul undelor electromagnetice produse de aparatele electrocasnice convenționale.

Rețineți că nivelul intensității câmpului scade semnificativ odată cu distanța. Adică, pentru a-și reduce efectul, este suficient să te îndepărtezi de sursă la o anumită distanță.

Formula pentru calcularea normei (normalizării) radiației câmpului electromagnetic este specificată în GOST-urile și SanPiN-urile relevante.

Protecție împotriva radiațiilor

În producție, ecranele absorbante (de protecție) sunt utilizate în mod activ ca mijloace de protecție împotriva radiațiilor. Din păcate, nu este posibil să vă protejați de radiațiile câmpului electromagnetic folosind astfel de echipamente acasă, deoarece nu este proiectat pentru acest lucru.

pentru a reduce impactul radiației câmpului electromagnetic la aproape zero, ar trebui să vă îndepărtați de liniile electrice, turnurile de radio și televiziune la o distanță de cel puțin 25 de metri (trebuie luată în considerare puterea sursei);
pentru monitoare CRT și televizoare această distanță este mult mai mică - aproximativ 30 cm;
Ceasurile electronice nu trebuie așezate aproape de pernă, distanta optima pentru ei mai mult de 5 cm;
În ceea ce privește radiourile și telefoanele mobile, nu este recomandată apropierea acestora la mai puțin de 2,5 centimetri.

Rețineți că mulți oameni știu cât de periculos este să stea lângă liniile electrice de înaltă tensiune, dar majoritatea oamenilor nu acordă importanță aparatelor electrice de uz casnic obișnuite. Deși este suficient să pui unitate de sistem pe podea sau mutați-l mai departe și vă veți proteja pe dumneavoastră și pe cei dragi. Vă sfătuim să faceți acest lucru și apoi să măsurați fundalul de pe computer folosind un detector de radiații de câmp electromagnetic pentru a verifica clar reducerea acestuia.

Acest sfat se aplică și pentru amplasarea frigiderului; mulți oameni îl plasează lângă masa din bucătărie, ceea ce este practic, dar nesigur.

Niciun tabel nu poate indica distanța exactă de siguranță față de un anumit echipament electric, deoarece radiațiile pot varia, atât în funcție de modelul dispozitivului, cât și de țara de fabricație. Momentan nu există un singur standard international, prin urmare în tari diferite standardele pot diferi semnificativ.

Intensitatea radiației poate fi determinată cu precizie folosind un dispozitiv special - un fluxmetru. Conform standardelor adoptate în Rusia, doza maximă admisă nu trebuie să depășească 0,2 µT. Vă recomandăm să faceți măsurători în apartament folosind dispozitivul menționat mai sus pentru măsurarea gradului de radiație a câmpului electromagnetic.

Fluxmetru - un dispozitiv pentru măsurarea gradului de radiație a unui câmp electromagnetic

Încercați să reduceți timpul în care sunteți expus la radiații, adică nu stați în apropierea dispozitivelor electrice care funcționează mult timp. De exemplu, nu este deloc necesar să stai constant la aragazul electric sau la cuptorul cu microunde în timp ce gătești. În ceea ce privește echipamentele electrice, puteți observa că cald nu înseamnă întotdeauna sigur.

Opriți întotdeauna aparatele electrice când nu sunt utilizate. Oamenii lasă adesea diverse dispozitive pornite, fără a ține cont de faptul că în acest moment radiațiile electromagnetice emană din echipamentele electrice. Opriți laptopul, imprimanta sau alte echipamente; nu este nevoie să vă expuneți din nou la radiații; amintiți-vă siguranța.

Undele electromagnetice(al căror tabel va fi dat mai jos) sunt perturbări ale câmpurilor magnetice și electrice distribuite în spațiu. Există mai multe tipuri de ele. Fizica studiază aceste tulburări. Undele electromagnetice se formează datorită faptului că un câmp electric alternativ generează un câmp magnetic, care, la rândul său, generează unul electric.

Istoria cercetării

Primele teorii, care pot fi considerate cele mai vechi versiuni de ipoteze despre undele electromagnetice, datează cel puțin din vremea lui Huygens. În acea perioadă, ipotezele au atins o dezvoltare cantitativă pronunțată. Huygens în 1678 a lansat un fel de „schiță” a teoriei - „Tratat despre lumină”. În 1690, a publicat o altă lucrare remarcabilă. Acesta a conturat teoria calitativă a reflexiei și refracției în forma în care este prezentată și astăzi în manualele școlare („Unde electromagnetice”, clasa a IX-a).

Totodată, a fost formulat principiul lui Huygens. Cu ajutorul acestuia, a devenit posibilă studierea mișcării frontului de undă. Acest principiu și-a găsit ulterior dezvoltarea în lucrările lui Fresnel. Principiul Huygens-Fresnel a avut o importanță deosebită în teoria difracției și teoria ondulatorie a luminii.

În anii 1660-1670, Hooke și Newton au adus contribuții experimentale și teoretice majore la cercetare. Cine a descoperit undele electromagnetice? Cine a condus experimentele pentru a le dovedi existența? Ce tipuri de unde electromagnetice există? Mai multe despre asta mai târziu.

Rațiunea lui Maxwell

Înainte de a vorbi despre cine a descoperit undele electromagnetice, trebuie spus că primul om de știință care le-a prezis în general existența a fost Faraday. Și-a prezentat ipoteza în 1832. Maxwell a lucrat ulterior la construirea teoriei. Până în 1865 a terminat această lucrare. Ca urmare, Maxwell a formulat cu strictețe teoria matematic, justificând existența fenomenelor luate în considerare. De asemenea, a determinat viteza de propagare a undelor electromagnetice, care a coincis cu valoarea vitezei luminii folosită atunci. Aceasta, la rândul său, i-a permis să fundamenteze ipoteza că lumina este unul dintre tipurile de radiații luate în considerare.

Detectare experimentală

Teoria lui Maxwell a fost confirmată în experimentele lui Hertz din 1888. Trebuie spus aici că fizicianul german și-a condus experimentele pentru a infirma teoria, în ciuda justificării ei matematice. Cu toate acestea, datorită experimentelor sale, Hertz a devenit primul care a descoperit practic undele electromagnetice. În plus, în timpul experimentelor sale, omul de știință a identificat proprietățile și caracteristicile radiației.

Hertz a obținut oscilații și unde electromagnetice prin excitarea unei serii de impulsuri cu un flux care variază rapid într-un vibrator folosind o sursă de înaltă tensiune. Curenții de înaltă frecvență pot fi detectați folosind un circuit. Cu cât capacitatea și inductanța sunt mai mari, cu atât frecvența de oscilație va fi mai mare. Dar, în același timp, o frecvență ridicată nu garantează un flux intens. Pentru a-și efectua experimentele, Hertz a folosit un dispozitiv destul de simplu, care astăzi se numește „vibratorul Hertz”. Dispozitivul este un circuit oscilant de tip deschis.

Schema experimentului lui Hertz

Înregistrarea radiațiilor a fost efectuată folosind un vibrator receptor. Acest dispozitiv avea același design ca și dispozitivul emițător. Sub influența unei unde electromagnetice de electricitate câmp variabil o oscilație de curent a fost excitată în dispozitivul de recepție. Dacă în acest dispozitiv frecvența sa naturală și frecvența fluxului au coincis, atunci a apărut rezonanța. Ca urmare, au apărut perturbări în dispozitivul de recepție cu o amplitudine mai mare. Cercetătorul le-a descoperit observând scântei între conductori într-un mic decalaj.

Astfel, Hertz a devenit primul care a descoperit undele electromagnetice și a dovedit capacitatea lor de a fi reflectat bine de conductori. El a fundamentat practic formarea radiațiilor în picioare. În plus, Hertz a determinat viteza de propagare a undelor electromagnetice în aer.

Studiu Caracteristici

Undele electromagnetice se propagă în aproape toate mediile. Într-un spațiu plin de materie, radiațiile pot fi în unele cazuri distribuite destul de bine. Dar în același timp își schimbă oarecum comportamentul.

Undele electromagnetice în vid sunt detectate fără atenuare. Ele sunt distribuite pe orice distanță, indiferent cât de mare. Principalele caracteristici ale undelor includ polarizarea, frecvența și lungimea. Proprietățile sunt descrise în cadrul electrodinamicii. Cu toate acestea, ramuri mai specifice ale fizicii se ocupă de caracteristicile radiațiilor în anumite regiuni ale spectrului. Acestea includ, de exemplu, optica.

Studiul radiației electromagnetice dure la capătul spectrului de unde scurte este realizat de secțiunea de înaltă energie. Luând în considerare ideile moderne, dinamica încetează să mai fie o disciplină independentă și este combinată cu o singură teorie.

Teorii utilizate în studiul proprietăților

Astăzi există diverse metode, facilitând modelarea și studiul manifestărilor și proprietăților vibrațiilor. Electrodinamica cuantică este considerată cea mai fundamentală dintre teoriile testate și finalizate. Din aceasta, prin anumite simplificări, devine posibilă obținerea metodelor enumerate mai jos, care sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii.

Descrierea radiațiilor de frecvență relativ joasă într-un mediu macroscopic se realizează folosind electrodinamica clasică. Se bazează pe ecuațiile lui Maxwell. Cu toate acestea, există simplificări în aplicații. Studiul optic folosește optica. Teoria undelor este folosită în cazurile în care unele părți sistem optic sunt apropiate ca mărime de lungimile de undă. Optica cuantică este utilizată atunci când procesele de împrăștiere și absorbție a fotonilor sunt semnificative.

Teoria optică geometrică este un caz limitativ în care lungimea de undă poate fi ignorată. Există, de asemenea, câteva secțiuni aplicate și fundamentale. Acestea includ, de exemplu, astrofizica, biologia percepției vizuale și fotosintezei și fotochimia. Cum sunt clasificate undele electromagnetice? Un tabel care descrie în mod clar distribuția în grupuri este prezentat mai jos.

Clasificare

Există intervale de frecvență ale undelor electromagnetice. Nu există tranziții ascuțite între ele; uneori se suprapun. Granițele dintre ele sunt destul de arbitrare. Datorită faptului că debitul este distribuit continuu, frecvența este strict legată de lungime. Mai jos sunt domeniile undelor electromagnetice.

Radiația ultrascurtă este de obicei împărțită în micrometru (submilimetru), milimetru, centimetru, decimetru, metru. Dacă radiația electromagnetică este mai mică de un metru, atunci este de obicei numită oscilație de frecvență ultraînaltă (microunde).

Tipuri de unde electromagnetice

Mai sus sunt intervalele undelor electromagnetice. Ce tipuri de fluxuri există? Grupul include raze gamma și X. Trebuie spus că atât lumina ultravioletă, cât și chiar cea vizibilă sunt capabile să ionizeze atomii. Granițele în care sunt situate fluxurile gamma și de raze X sunt determinate foarte condiționat. Ca orientare generală, sunt acceptate limitele de 20 eV - 0,1 MeV. Fluxurile gamma intră în sens restrâns sunt emise de nucleu, razele X sunt emise de învelișul atomic de electroni în procesul de eliminare a electronilor de pe orbitele joase. Cu toate acestea, această clasificare nu este aplicabilă radiațiilor dure generate fără participarea nucleelor și atomilor.

Fluxurile de raze X se formează atunci când particulele rapide încărcate (protoni, electroni și altele) încetinesc și ca urmare a proceselor care au loc în interiorul învelișurilor de electroni atomici. Oscilațiile gamma apar ca urmare a proceselor din interiorul nucleelor atomilor și în timpul transformării particulelor elementare.

Fluxuri radio

Din cauza de mare importanta lungimi, luarea în considerare a acestor unde poate fi efectuată fără a lua în considerare structura atomistică a mediului. Ca excepție, acționează doar cele mai scurte fluxuri, care sunt adiacente regiunii infraroșii a spectrului. În domeniul radio, proprietățile cuantice ale vibrațiilor apar destul de slab. Cu toate acestea, acestea trebuie luate în considerare, de exemplu, atunci când se analizează standardele de timp și frecvență moleculară în timpul răcirii echipamentelor la o temperatură de câțiva kelvin.

Proprietățile cuantice sunt de asemenea luate în considerare atunci când se descriu generatoare și amplificatoare în intervalele milimetrice și centimetrice. Fluxul radio se formează în timpul mișcării curentului alternativ prin conductori de frecvența corespunzătoare. Și o undă electromagnetică care trece în spațiu excită unda corespunzătoare. Această proprietate este utilizată în proiectarea antenelor în ingineria radio.

Fire vizibile

Radiațiile vizibile ultraviolete și infraroșii constituie, în sensul larg al cuvântului, așa-numita parte optică a spectrului. Selecția acestei zone este determinată nu numai de apropierea zonelor corespunzătoare, ci și de similitudinea instrumentelor utilizate în cercetare și dezvoltate în primul rând în timpul studiului luminii vizibile. Acestea, în special, includ oglinzi și lentile pentru focalizarea radiațiilor, rețele de difracție, prisme și altele.

Frecvențele undelor optice sunt comparabile cu cele ale moleculelor și atomilor, iar lungimile lor sunt comparabile cu distanțele intermoleculare și cu dimensiunile moleculare. Prin urmare, fenomenele care sunt cauzate de structura atomică a materiei devin semnificative în acest domeniu. Din același motiv, lumina, împreună cu proprietățile undelor, are și proprietăți cuantice.

Apariția fluxurilor optice

Cea mai cunoscută sursă este Soarele. Suprafața stelei (fotosfera) are o temperatură de 6000° Kelvin și emite lumină albă strălucitoare. Cea mai mare valoare spectrul continuu este situat în zona „verde” - 550 nm. Aici se află și sensibilitatea vizuală maximă. Oscilațiile în domeniul optic apar atunci când corpurile sunt încălzite. De aceea, fluxurile în infraroșu sunt numite și fluxuri termice.

Cu cât corpul se încălzește mai mult, cu atât frecvența la care se află maximul spectrului este mai mare. Cu o anumită creștere a temperaturii, se observă incandescență (strălucire în domeniul vizibil). În acest caz, apare mai întâi roșu, apoi galben și așa mai departe. Crearea și înregistrarea fluxurilor optice poate avea loc în biologic și reacții chimice, dintre care unul este folosit în fotografie. Pentru majoritatea creaturilor care trăiesc pe Pământ, fotosinteza servește ca sursă de energie. Această reacție biologică are loc la plante sub influența radiației optice solare.

Caracteristicile undelor electromagnetice

Proprietățile mediului și sursei influențează caracteristicile fluxurilor. Aceasta stabilește, în special, dependența de timp a câmpurilor, care determină tipul de flux. De exemplu, atunci când distanța de la vibrator se modifică (pe măsură ce crește), raza de curbură devine mai mare. Ca rezultat, se formează o undă electromagnetică plană. Interacțiunea cu substanța are loc și în moduri diferite.

Procesele de absorbție și emisie de fluxuri, de regulă, pot fi descrise folosind relații electrodinamice clasice. Pentru undele din regiunea optică și pentru razele dure, natura lor cuantică ar trebui luată și mai mult în considerare.

Surse de flux

În ciuda diferenței fizice, peste tot - într-o substanță radioactivă, un emițător de televiziune, o lampă cu incandescență - undele electromagnetice sunt excitate de sarcini electrice care se mișcă cu accelerație. Există două tipuri principale de surse: microscopice și macroscopice. În primul, există o tranziție bruscă a particulelor încărcate de la unul la altul în interiorul moleculelor sau atomilor.

Sursele microscopice emit raze X, gamma, ultraviolete, infraroșii, vizibile și, în unele cazuri, radiații cu unde lungi. Un exemplu al acestuia din urmă este linia din spectrul hidrogenului, care corespunde unei lungimi de undă de 21 cm.Acest fenomen are o importanță deosebită în radioastronomie.

Sursele macroscopice sunt emițători în care electronii liberi ai conductorilor efectuează oscilații sincrone periodice. În sistemele din această categorie, sunt generate debite de la scară milimetrică până la cea mai lungă (în liniile electrice).

Structura și rezistența fluxurilor

Curenții accelerați și în schimbare periodică se influențează reciproc cu anumite forțe. Direcția și magnitudinea lor depind de factori precum dimensiunea și configurația regiunii în care sunt conținute curenții și sarcinile, direcția și magnitudinea lor relativă. Caracteristicile electrice ale unui anumit mediu, precum și modificările concentrației sarcinilor și distribuției curenților sursei, au, de asemenea, un impact semnificativ.

Datorită complexității generale a enunțului problemei, este imposibil să se prezinte legea forțelor sub forma unei formule unice. Structura, numită câmp electromagnetic și considerată, dacă este necesar, ca obiect matematic, este determinată de distribuția sarcinilor și a curenților. La rândul său, este creat de o sursă dată ținând cont de condițiile la limită. Condițiile sunt determinate de forma zonei de interacțiune și de caracteristicile materialului. Dacă vorbim de spațiu nelimitat, aceste circumstanțe sunt completate. Condiția de radiație acționează ca o condiție suplimentară specială în astfel de cazuri. Datorită acesteia, „corectitudinea” comportamentului câmpului la infinit este garantată.

Cronologia studiului

Lomonosov, în unele dintre prevederile sale, anticipează postulate individuale ale teoriei câmpului electromagnetic: mișcarea „rotativă” (rotativă) a particulelor, teoria „oscilante” (undă) a luminii, comunitatea acesteia cu natura electricității etc. Infraroșu fluxurile au fost descoperite în 1800 de Herschel (om de știință englez), iar în anul următor, 1801, Ritter a descris ultravioletele. Radiația cu o rază mai scurtă decât ultravioletele a fost descoperită de Roentgen în 1895, pe 8 noiembrie. Ulterior a primit numele de raze X.

Influența undelor electromagnetice a fost studiată de mulți oameni de știință. Cu toate acestea, primul care a explorat posibilitățile fluxurilor și domeniul de aplicare a acestora a fost Narkevich-Iodko (om de știință din Belarus). El a studiat proprietățile fluxurilor în relație cu medicina practică. Radiația gamma a fost descoperită de Paul Willard în 1900. În aceeași perioadă, Planck a condus cercetare teoretică proprietățile corpului negru. În procesul de studiu, el a descoperit natura cuantică a procesului. Lucrarea sa a marcat începutul dezvoltării. Ulterior, au fost publicate mai multe lucrări de Planck și Einstein. Cercetările lor au condus la formarea unui concept precum fotonul. Aceasta, la rândul său, a pus bazele creării teoriei cuantice a fluxurilor electromagnetice. Dezvoltarea sa a continuat în lucrările unor personalități științifice de top ale secolului XX.

Cercetările ulterioare și lucrările privind teoria cuantică a radiației electromagnetice și interacțiunea acesteia cu materia au condus în cele din urmă la formarea electrodinamicii cuantice în forma în care există astăzi. Printre oamenii de știință remarcabili care au studiat această problemă, ar trebui să numiți, pe lângă Einstein și Planck, Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman.

Concluzie

Importanța fizicii în lumea modernă suficient de mare. Aproape tot ceea ce este folosit în viața umană astăzi a apărut datorită uz practic cercetările marilor oameni de știință. Descoperirea undelor electromagnetice și studiul lor, în special, au condus la crearea unor instrumente convenționale și, ulterior, telefoane mobile, emițătoare radio. Aplicarea practică a unor astfel de cunoștințe teoretice este de o importanță deosebită în domeniul medicinei, industriei și tehnologiei.

Această utilizare pe scară largă se datorează naturii cantitative a științei. Toate experimentele fizice se bazează pe măsurători, compararea proprietăților fenomenelor studiate cu standardele existente. În acest scop a fost dezvoltat în cadrul disciplinei un complex de instrumente și unități de măsură. O serie de modele sunt comune tuturor sistemelor de materiale existente. De exemplu, legile conservării energiei sunt considerate legi fizice generale.

Știința în ansamblu este numită fundamentală în multe cazuri. Acest lucru se datorează, în primul rând, faptului că alte discipline oferă descrieri, care, la rândul lor, respectă legile fizicii. Astfel, în chimie se studiază atomii, substanțele formate din ei și transformările. Dar Proprietăți chimice corpurile sunt determinate de caracteristicile fizice ale moleculelor și atomilor. Aceste proprietăți descriu ramuri ale fizicii precum electromagnetismul, termodinamica și altele.

Undele electromagnetice este procesul de propagare a unui câmp electromagnetic alternativ în spațiu. Teoretic, existența undelor electromagnetice a fost prezisă de omul de știință englez Maxwell în 1865 și au fost obținute pentru prima dată experimental de omul de știință german Hertz în 1888.

Din teoria lui Maxwell urmează formule care descriu oscilațiile vectorilor și. Undă electromagnetică monocromatică plană care se propagă de-a lungul axei X, este descris de ecuații

Aici EȘi H- valori instantanee, și E m și H m - valorile amplitudinii intensității câmpului electric și magnetic, ω - frecventa circulara, k- numărul valului. Vectorii și oscilează cu aceeași frecvență și fază, sunt reciproc perpendiculari și, în plus, perpendiculari pe vector - viteza de propagare a undei (Fig. 3.7). Adică undele electromagnetice sunt transversale.

În vid, undele electromagnetice se deplasează cu viteză. Într-un mediu cu constantă dielectrică ε și permeabilitatea magnetică µ viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu:

Frecvența oscilațiilor electromagnetice, precum și lungimea de undă, pot fi, în principiu, orice. Clasificarea undelor după frecvență (sau lungime de undă) se numește scara undelor electromagnetice. Undele electromagnetice sunt împărțite în mai multe tipuri.

Unde radio au o lungime de undă de la 10 3 la 10 -4 m.

Unde luminoase include:

radiații cu raze X - .

Undele luminoase sunt unde electromagnetice care includ părțile infraroșu, vizibile și ultraviolete ale spectrului. Lungimile de undă ale luminii în vid corespunzătoare culorilor primare ale spectrului vizibil sunt prezentate în tabelul de mai jos. Lungimea de undă este dată în nanometri.

Masa

Undele luminoase au aceleași proprietăți ca undele electromagnetice.

1. Undele luminoase sunt transversale.

2. Vectorii și oscilează într-o undă luminoasă.

Experiența arată că toate tipurile de efecte (fiziologice, fotochimice, fotoelectrice etc.) sunt cauzate de vibrații vector electric. El este numit vector luminos .

Amplitudinea vectorului luminos E m este adesea notat cu litera A iar în loc de ecuația (3.30), se folosește ecuația (3.24).

3. Viteza luminii în vid.

Viteza unei unde luminii într-un mediu este determinată de formula (3.29). Dar pentru medii transparente (sticlă, apă) este obișnuit.

Pentru undele luminoase se introduce conceptul de indice absolut de refracție.

Indicele de refracție absolut este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii într-un mediu dat

Din (3.29), ținând cont de faptul că pentru mediile transparente, putem scrie egalitatea.

Pentru vid ε = 1 și n= 1. Pentru orice mediu fizic n> 1. De exemplu, pentru apă n= 1,33, pentru sticlă. Un mediu cu un indice de refracție mai mare se numește mai dens optic. Raportul indicilor absoluti de refracție se numește indice relativ de refracție:

4. Frecvența undelor luminoase este foarte mare. De exemplu, pentru lumina roșie cu lungime de undă.

Când lumina trece de la un mediu la altul, frecvența luminii nu se schimbă, dar viteza și lungimea de undă se modifică.

Pentru vid - ; pentru mediu - , atunci

Prin urmare, lungimea de undă a luminii din mediu este egală cu raportul dintre lungimea de undă a luminii în vid și indicele de refracție

5. Pentru că frecvența undelor luminoase este foarte mare , atunci ochiul observatorului nu distinge vibrațiile individuale, ci percepe fluxurile medii de energie. Aceasta introduce conceptul de intensitate.

Intensitate este raportul dintre energia medie transferată de val la perioada de timp și aria locului perpendicular pe direcția de propagare a undei:

Deoarece energia undei este proporțională cu pătratul amplitudinii (vezi formula (3.25)), intensitatea este proporțională cu valoarea medie a pătratului amplitudinii

Caracteristica intensității luminii, ținând cont de capacitatea sa de a provoca senzații vizuale, este flux luminos - F .

6. Natura ondulatorie a luminii se manifestă, de exemplu, în fenomene precum interferența și difracția.

Radiația electromagnetică există exact atâta timp cât trăiește Universul nostru. A jucat un rol cheie în evoluția vieții pe Pământ. De fapt, această perturbare este starea electrică camp magnetic, distribuite în spațiu.

Caracteristicile radiațiilor electromagnetice

Orice undă electromagnetică este descrisă folosind trei caracteristici.

1. Frecvență.

2. Polarizare.

Polarizare– unul dintre principalele atribute ale valului. Descrie anizotropia transversală a undelor electromagnetice. Radiația este considerată polarizată atunci când toate oscilațiile undei au loc în același plan.

Acest fenomen este utilizat activ în practică. De exemplu, în cinematografe când se prezintă filme 3D.

Folosind polarizarea, ochelarii IMAX separă imaginea pentru care este destinată ochi diferiti.

Frecvență– numărul de creste ale valurilor care trec pe lângă observator (in în acest caz,– detector) într-o secundă. Se măsoară în Herți.

Lungime de undă– o anumită distanță între cele mai apropiate puncte de radiație electromagnetică, ale căror oscilații au loc în aceeași fază.

Radiația electromagnetică se poate propaga în aproape orice mediu: de la materie densă la vid.

Viteza de propagare în vid este de 300 de mii de km pe secundă.

Videoclip interesant despre natura și proprietățile undelor EM, vedeți videoclipul de mai jos:

Tipuri de unde electromagnetice

Toată radiația electromagnetică este împărțită la frecvență.

1. Unde radio. Există scurte, ultra-scurte, extra-lungi, lungi, medii.

Lungimea undelor radio variază de la 10 km la 1 mm și de la 30 kHz la 300 GHz.

Sursele lor pot fi atât activitatea umană, cât și diverse naturale fenomene atmosferice.

2. . Lungimea de undă variază de la 1 mm la 780 nm și poate ajunge până la 429 THz. Radiația infraroșie se mai numește și radiație termică. Baza întregii vieți de pe planeta noastră.

3. Lumină vizibilă. Lungime 400 - 760/780 nm. În consecință, fluctuează între 790-385 THz. Aceasta include întregul spectru de radiații care poate fi văzut de ochiul uman.

4. . Lungimea de undă este mai mică decât cea a radiației infraroșii.

Poate ajunge până la 10 nm. astfel de valuri sunt foarte mari - aproximativ 3x10^16 Hz.

5. Raze X. undele sunt 6x10^19 Hz, iar lungimea este de aproximativ 10 nm - 5 pm.

6. Unde gamma. Aceasta include orice radiație care este mai mare decât razele X și lungimea este mai scurtă. Sursa unor astfel de unde electromagnetice sunt procesele cosmice, nucleare.

Scopul aplicatiei

Undeva de la sfârșitul secolului al XIX-lea, tot progresul uman a fost asociat cu aplicație practică undele electromagnetice.

Primul lucru care merită menționat este comunicarea radio. Le-a oferit oamenilor posibilitatea de a comunica, chiar dacă erau departe unul de celălalt.

Difuzarea prin satelit, telecomunicațiile sunt dezvoltare ulterioară comunicații radio primitive.

Aceste tehnologii au modelat imaginea informațională a societății moderne.

Sursele de radiații electromagnetice ar trebui să fie luate în considerare atât instalații industriale mari, cât și diverse linii electrice.

Undele electromagnetice sunt utilizate în mod activ în afacerile militare (radare, dispozitive electrice complexe). De asemenea, medicina nu s-ar putea descurca fără utilizarea lor. Radiațiile infraroșii pot fi folosite pentru a trata multe boli.

raze X ajuta la determinarea leziunilor țesuturilor interne umane.

Laserele sunt folosite pentru a efectua o serie de operațiuni care necesită precizie maximă.

Importanța radiațiilor electromagnetice în viața practică umană este greu de supraestimat.

Videoclip sovietic despre câmpul electromagnetic:

Posibil impact negativ asupra oamenilor

Deși utile, sursele puternice de radiații electromagnetice pot provoca simptome precum:

Oboseală;

Durere de cap;

Greaţă.

Expunerea excesivă la anumite tipuri de valuri provoacă daune organe interne, sistemul nervos central, creierul. Sunt posibile schimbări în psihicul uman.

Un videoclip interesant despre efectul undelor EM asupra oamenilor:

Pentru a evita astfel de consecințe, aproape toate țările din lume au standarde care reglementează siguranța electromagnetică. Fiecare tip de radiație are propriile documente de reglementare (standarde de igienă, standarde de siguranță împotriva radiațiilor). Efectul undelor electromagnetice asupra oamenilor nu a fost studiat pe deplin, așa că OMS recomandă reducerea la minimum a expunerii acestora.

Multe modele de procese ondulatorii sunt de natură universală și sunt la fel de valabile pentru unde de natură diferită: unde mecanice într-un mediu elastic, unde pe suprafața apei, într-un șir întins etc. Undele electromagnetice, care sunt procesul de propagare a oscilațiile unui câmp electromagnetic nu fac excepție. Dar, spre deosebire de alte tipuri de unde, a căror propagare are loc într-un mediu material, undele electromagnetice se pot propaga în gol: nu este necesar niciun mediu material pentru propagarea câmpurilor electrice și magnetice. Cu toate acestea, undele electromagnetice pot exista nu numai în vid, ci și în materie.

Predicția undelor electromagnetice. Existența undelor electromagnetice a fost prezisă teoretic de Maxwell ca urmare a unei analize a sistemului său de ecuații propus care descrie câmpul electromagnetic. Maxwell a arătat că un câmp electromagnetic în vid poate exista în absența surselor - sarcini și curenți. Un câmp fără surse are forma unor unde care se propagă cu o viteză finită de cm/s, în care vectorii câmpurilor electrice și magnetice în fiecare moment de timp în fiecare punct din spațiu sunt perpendiculari între ei și perpendiculari pe direcția lui. propagarea undelor.

Undele electromagnetice au fost descoperite și studiate experimental de Hertz la doar 10 ani după moartea lui Maxwell.

Deschideți vibratorul. Pentru a înțelege cum pot fi obținute undele electromagnetice experimental, luați în considerare un circuit oscilator „deschis” în care plăcile condensatorului sunt depărtate (Fig. 176) și, prin urmare, câmpul electric ocupă o zonă mare a spațiului. Pe măsură ce distanța dintre plăci crește, capacitatea C a condensatorului scade și, în conformitate cu formula lui Thomson, frecvența oscilațiilor naturale crește. Dacă înlocuiți și inductorul cu o bucată de sârmă, inductanța va scădea și frecvența oscilațiilor naturale va crește și mai mult. În acest caz, nu numai câmpul electric, ci și magnetic, care anterior era conținut în interiorul bobinei, va ocupa acum o zonă mare de spațiu care acoperă acest fir.

O creștere a frecvenței de oscilație în circuit, precum și o creștere a dimensiunilor sale liniare, duce la faptul că perioada naturală

oscilațiile devin comparabile cu timpul de propagare a câmpului electromagnetic de-a lungul întregului circuit. Aceasta înseamnă că procesele de oscilații electromagnetice naturale într-un astfel de circuit deschis nu mai pot fi considerate cvasi-staționare.

Orez. 176. Trecerea de la un circuit oscilant la un vibrator deschis

Puterea curentului în diferite locuri în același timp este diferită: la capetele circuitului este întotdeauna zero, iar în mijloc (unde era înainte bobina) oscilează cu amplitudine maximă.

În cazul limitativ, când circuitul oscilator sa transformat pur și simplu într-o bucată de sârmă dreaptă, distribuția curentului de-a lungul circuitului la un moment dat în timp este prezentată în Fig. 177a. În momentul în care puterea curentului într-un astfel de vibrator este maximă, câmpul magnetic din jurul acestuia atinge, de asemenea, un maxim și nu există câmp electric în apropierea vibratorului. După un sfert din perioadă, curentul merge la zero și, odată cu el, câmpul magnetic din apropierea vibratorului; sarcinile electrice sunt concentrate în apropierea capetelor vibratorului, iar distribuția lor are forma prezentată în Fig. 1776. Câmpul electric în apropierea vibratorului în acest moment este maxim.

Orez. 177. Distribuția curentului de-a lungul unui vibrator deschis în momentul în care acesta este maxim (a) și distribuția sarcinilor după un sfert din perioada (b)

Aceste oscilații de sarcină și curent, adică oscilații electromagnetice într-un vibrator deschis, sunt destul de asemănătoare cu oscilațiile mecanice care pot apărea în arcul oscilatorului dacă corpul masiv atașat de acesta este îndepărtat. În acest caz, va trebui să țineți cont de masă piese individuale arcuri și îl considerăm ca un sistem distribuit în care fiecare element are atât proprietăți elastice, cât și inerte. În cazul unui vibrator electromagnetic deschis, fiecare dintre elementele sale are, de asemenea, simultan atât inductanță, cât și capacitate.

Câmpurile electrice și magnetice ale vibratorului. Natura necvasi-staționară a oscilațiilor într-un vibrator deschis duce la faptul că câmpurile create de secțiunile sale individuale la o anumită distanță de vibrator nu se mai compensează reciproc, așa cum este cazul unui circuit oscilator „închis” cu parametrii concentrați, unde oscilațiile sunt cvasi-staționare, câmpul electric este concentrat în întregime în interiorul condensatorului, iar cel magnetic este în interiorul bobinei. Datorită acestei separări spațiale a câmpurilor electrice și magnetice, acestea nu sunt direct legate între ele: transformarea lor reciprocă se datorează numai curentului - transferul de sarcină de-a lungul circuitului.

Într-un vibrator deschis, unde câmpurile electrice și magnetice se suprapun în spațiu, are loc influența lor reciprocă: un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric vortex, iar un câmp electric în schimbare generează un câmp magnetic. Ca urmare, existența unor astfel de câmpuri „auto-susținute” care se propagă în spațiul liber la o distanță mare de vibrator devine posibilă. Acestea sunt undele electromagnetice emise de vibrator.

Experimentele lui Hertz. Vibratorul, cu ajutorul căruia G. Hertz a obținut pentru prima dată unde electromagnetice experimental în 1888, era un conductor drept cu un mic întrefier de aer în mijloc (Fig. 178a). Datorită acestui decalaj, a fost posibil să se transmită sarcini semnificative celor două jumătăți ale vibratorului. Când diferența de potențial a atins o anumită valoare limită, s-a produs o defecțiune în spațiul de aer (o scânteie a sărit) și sarcinile electrice prin aerul ionizat ar putea circula de la o jumătate a vibratorului în cealaltă. Într-un circuit deschis, au apărut oscilații electromagnetice. Pentru a se asigura că există curenți alternativi rapidi numai în vibrator și nu sunt scurtcircuitați prin sursa de alimentare, între vibrator și sursă sunt conectate șocuri (vezi Fig. 178a).

Orez. 178. Vibrator Hertz

Vibrațiile de înaltă frecvență în vibrator există atâta timp cât scânteia închide decalajul dintre jumătățile sale. Amortizarea unor astfel de oscilații într-un vibrator are loc în principal nu datorită pierderilor de rezistență Joule (ca într-un circuit oscilator închis), ci datorită radiației undelor electromagnetice.

Pentru a detecta undele electromagnetice, Hertz a folosit un al doilea vibrator (de primire) (Fig. 1786). Sub influența unui câmp electric alternativ al unei unde care vine de la emițător, electronii din vibratorul receptor efectuează oscilații forțate, adică un curent alternativ rapid este excitat în vibrator. Dacă dimensiunile vibratorului receptor sunt aceleași cu cele ale celui emițător, atunci frecvențele oscilațiilor electromagnetice naturale din ele coincid și oscilațiile forțate din vibratorul receptor ating o valoare sesizabilă datorită rezonanței. Hertz a detectat aceste oscilații prin alunecarea unei scântei într-un spațiu microscopic din mijlocul vibratorului receptor sau prin strălucirea unui tub miniatural cu descărcare de gaz G conectat între jumătățile vibratorului.

Hertz nu numai că a demonstrat experimental existența undelor electromagnetice, dar pentru prima dată a început să studieze proprietățile acestora - absorbția și refracția în diferite medii, reflexia de pe suprafețele metalice etc. Experimental, a fost posibilă și măsurarea vitezei undelor electromagnetice, care s-a dovedit a fi egală cu viteza luminii.

Coincidența vitezei undelor electromagnetice cu viteza luminii măsurată cu mult înainte de descoperirea lor a servit drept punct de plecare pentru identificarea luminii cu undele electromagnetice și crearea teoriei electromagnetice a luminii.

O undă electromagnetică există fără surse de câmp în sensul că, după emiterea ei, câmpul electromagnetic al undei nu este asociat cu sursa. Așa se deosebește o undă electromagnetică de câmpurile electrice și magnetice statice, care nu există în afară de sursă.

Mecanismul de radiație a undelor electromagnetice. Emisia de unde electromagnetice are loc cu mișcarea accelerată a sarcinilor electrice. Puteți înțelege modul în care câmpul electric transversal al unei unde ia naștere din câmpul radial Coulomb al unei sarcini punctuale folosind următorul raționament simplu propus de J. Thomson.

Orez. 179. Câmpul unei sarcini punctiforme staționare

Să luăm în considerare câmpul electric creat de o sarcină punctiformă.Dacă sarcina este în repaus, atunci câmpul ei electrostatic este reprezentat de linii radiale de forță care emană din sarcină (Fig. 179). Lasă în momentul de timp sarcina, sub influența unei forțe exterioare, să înceapă să se miște cu accelerația a, iar după un timp acțiunea acestei forțe se oprește, astfel încât încărcătura să se miște apoi uniform cu viteza.Graficul vitezei mișcarea sarcinii este prezentată în Fig. 180.

Să ne imaginăm o imagine a liniilor câmpului electric creat de această sarcină, după Mare decalaj timp Deoarece câmpul electric se propagă cu viteza luminii c,

atunci modificarea câmpului electric cauzată de mișcarea sarcinii nu a putut ajunge în puncte situate în afara sferei de rază: în afara acestei sfere câmpul este același ca și cu sarcina staționară (Fig. 181). Puterea acestui câmp (în sistemul gaussian de unități) este egală cu

Întreaga modificare a câmpului electric cauzată de mișcarea accelerată a sarcinii în timp la un moment de timp este situată în interiorul unui strat sferic subțire de grosime a cărui rază exterioară este egală cu și raza interioară - Aceasta este prezentată în Fig. 181. În interiorul unei sfere de rază, câmpul electric este câmpul unei sarcini care se mișcă uniform.

Orez. 180. Graficul vitezei de încărcare

Orez. 181. Liniile intensității câmpului electric ale unei sarcini care se deplasează conform graficului din Fig. 180

Orez. 182. Să se obțină formula pentru intensitatea câmpului de radiație al unei sarcini în mișcare accelerată

Dacă viteza sarcinii este mult mai mică decât viteza luminii c, atunci acest câmp coincide în momentul de timp cu câmpul unei sarcini punctuale staționare situate la distanță de la început (Fig. 181): câmpul unui mișcându-se încet c viteza constanta sarcina se mișcă odată cu ea și distanța parcursă de sarcină în timp, așa cum se poate observa din fig. 180, poate fi considerat egal dacă g»t.

Modelul câmpului electric din interiorul stratului sferic este ușor de găsit, ținând cont de continuitatea liniilor de câmp. Pentru a face acest lucru, trebuie să conectați liniile radiale de forță corespunzătoare (Fig. 181). Cauzat de mișcarea accelerată a sarcinii, îndoirea liniilor de forță „fuge” de sarcină cu o viteză c. O întrerupere a liniilor electrice între

sfere, acesta este câmpul de radiație care ne interesează, care se propagă cu viteza c.

Pentru a găsi câmpul de radiație, luați în considerare una dintre liniile de intensitate care formează un anumit unghi cu direcția mișcării sarcinii (Fig. 182). Să descompunăm vectorul intensității câmpului electric la ruptura E în două componente: radială și transversală.Componenta radială este puterea câmpului electrostatic creat de sarcina aflată la distanță de aceasta:

Componenta transversală este intensitatea câmpului electric în unda emisă de sarcină în timpul mișcării accelerate. Deoarece această undă se deplasează de-a lungul unei raze, vectorul este perpendicular pe direcția de propagare a undei. Din fig. 182 este clar că

Înlocuind aici din (2), găsim

Considerând că un raport este accelerația a cu care sarcina s-a deplasat în intervalul de timp de la 0 la rescriem această expresie sub forma

În primul rând, să acordăm atenție faptului că intensitatea câmpului electric al unei unde scade invers proporțional cu distanța de la centru, spre deosebire de intensitatea câmpului electrostatic, care este proporțională cu o astfel de dependență de distanță așa cum ar fi de așteptat. dacă luăm în considerare legea conservării energiei. Deoarece nu are loc absorbția de energie atunci când o undă se propagă în vid, cantitatea de energie care trece printr-o sferă de orice rază este aceeași. Deoarece aria suprafeței unei sfere este proporțională cu pătratul razei sale, fluxul de energie printr-o unitate a suprafeței sale trebuie să fie invers proporțional cu pătratul razei. Având în vedere că densitatea de energie a câmpului electric al undei este egală, ajungem la concluzia că

În continuare, observăm că intensitatea câmpului undei din formula (4) în momentul de timp depinde de accelerația sarcinii, iar în momentul de timp unda emisă în momentul de față atinge un punct situat la distanță după o timp egal cu

Radiația unei sarcini oscilante. Să presupunem acum că sarcina se mișcă constant de-a lungul unei linii drepte cu o accelerație variabilă în apropierea originii coordonatelor, de exemplu, efectuează oscilații armonice. Apoi va emite unde electromagnetice continuu. Intensitatea câmpului electric al undei într-un punct situat la distanță de originea coordonatelor este încă determinată de formula (4), iar câmpul în momentul de timp depinde de accelerația sarcinii a într-un moment anterior.

Fie mișcarea sarcinii o oscilație armonică în apropierea originii coordonatelor cu o anumită amplitudine A și frecvență co:

Accelerația sarcinii în timpul unei astfel de mișcări este dată de expresia

Înlocuind accelerația de sarcină în formula (5), obținem

Modificarea câmpului electric în orice punct în timpul trecerii unei astfel de unde reprezintă o oscilație armonică cu o frecvență, adică o sarcină oscilantă emite o undă monocromatică. Desigur, formula (8) este valabilă la distanțe mari în comparație cu amplitudinea oscilațiilor sarcinii A.

Energia undelor electromagnetice. Densitatea de energie a câmpului electric al unei unde monocromatice emisă de o sarcină poate fi găsită folosind formula (8):

Densitatea energiei este proporțională cu pătratul amplitudinii oscilațiilor de sarcină și cu puterea a patra a frecvenței.

Orice fluctuație este asociată cu tranziții periodice de energie de la un tip la altul și înapoi. De exemplu, oscilațiile unui oscilator mecanic sunt însoțite de transformări reciproce ale energiei cinetice și ale energiei potențiale de deformare elastică. Când am studiat oscilațiile electromagnetice dintr-un circuit, am văzut că analogul energiei potențiale a unui oscilator mecanic este energia câmpului electric dintr-un condensator, iar analogul energiei cinetice este energia câmpului magnetic al bobinei. Această analogie este valabilă nu numai pentru oscilațiile localizate, ci și pentru procesele ondulatorii.

Într-o undă monocromatică care se deplasează într-un mediu elastic, densitățile de energie cinetică și potențială în fiecare punct suferă o oscilație armonică cu frecvență dublă și astfel încât valorile lor să coincidă în orice moment. Același lucru este valabil și într-o undă electromagnetică monocromatică călătoare: densitățile de energie ale câmpurilor electrice și magnetice, efectuând o oscilație armonică cu o frecvență egală între ele în fiecare punct în orice moment.

Densitatea energiei câmpului magnetic este exprimată în termeni de inducție B după cum urmează:

Echivalând densitățile de energie ale câmpurilor electrice și magnetice într-o undă electromagnetică care călătorește, suntem convinși că inducerea câmpului magnetic într-o astfel de undă depinde de coordonate și timp în același mod ca și intensitatea câmpului electric. Cu alte cuvinte, într-o undă care călătorește, inducția câmpului magnetic și intensitatea câmpului electric sunt egale una cu cealaltă în orice punct și în orice moment (în sistemul gaussian de unități):

Fluxul energiei undelor electromagnetice. Densitatea totală de energie a câmpului electromagnetic într-o undă care călătorește este de două ori mai mare decât densitatea de energie a câmpului electric (9). Densitatea fluxului de energie y purtată de undă este egală cu produsul dintre densitatea energiei și viteza de propagare a undei. Folosind formula (9), puteți observa că fluxul de energie prin orice suprafață oscilează cu frecvența.Pentru a afla valoarea medie a densității fluxului de energie, este necesar să faceți o medie a expresiei (9) în timp. Deoarece valoarea medie este 1/2, atunci pentru obținem

Orez. 183. Distribuția unghiulară a energiei emise de o sarcină oscilantă

Densitatea fluxului de energie într-o undă depinde de direcția: în direcția în care sarcina oscilează, energie nu este emisă deloc Cea mai mare cantitate energia este emisă într-un plan perpendicular pe această direcție.Distribuția unghiulară a energiei emise de o sarcină oscilantă este prezentată în Fig. 183. Sarcina oscileaza de-a lungul axei.De la originea coordonatelor se traseaza segmente a caror lungime este proportionala cu radiatia emisa intr-un anumit

direcția energiei, adică diagrama arată o linie care leagă capetele acestor segmente.

Distribuția energiei de-a lungul direcțiilor din spațiu este caracterizată de o suprafață, care se obține prin rotirea diagramei în jurul axei

Polarizarea undelor electromagnetice. Unda generată de un vibrator în timpul vibrațiilor armonice se numește monocromatic. O undă monocromatică este caracterizată de o anumită frecvență с și lungime de undă X. Lungimea de undă și frecvența sunt legate prin viteza de propagare a undei cu:

O undă electromagnetică în vid este transversală: vectorul intensității câmpului electromagnetic al undei, după cum se poate observa din argumentele de mai sus, este perpendicular pe direcția de propagare a undei. Să trecem prin punctul de observație P din fig. 184 sferă cu un centru la originea coordonatelor, în jurul căreia sarcina radiantă oscilează de-a lungul axei sale. Să trasăm paralele și meridiane pe el. Atunci vectorul E al câmpului de undă va fi direcționat tangențial la meridian, iar vectorul B este perpendicular pe vectorul E și direcționat tangențial la paralelă.

Pentru a verifica acest lucru, să luăm în considerare mai detaliat relația dintre câmpurile electrice și magnetice dintr-o undă care călătorește. Aceste câmpuri, după ce unda este emisă, nu mai sunt asociate cu sursa. Când câmpul electric al undei se modifică, apare un câmp magnetic, ale cărui linii de forță, așa cum am văzut când am studiat curentul de deplasare, sunt perpendiculare. linii de înaltă tensiune câmp electric. Acest câmp magnetic alternant, în schimbare, duce la rândul său la apariția unui câmp electric vortex, care este perpendicular pe câmpul magnetic care l-a generat. Astfel, pe măsură ce unda se propagă, câmpurile electrice și magnetice se susțin reciproc, rămânând reciproc perpendiculare în orice moment. Deoarece într-o undă care călătorește modificarea câmpurilor electrice și magnetice are loc în fază unul cu celălalt, „portretul” instantaneu al undei (vectorii E și B în diferite puncte ale liniei de-a lungul direcției de propagare) are forma prezentată în Fig. . 185. O astfel de undă se numește polarizat liniar. O sarcină care efectuează o oscilație armonică emite unde polarizate liniar în toate direcțiile. Într-o undă polarizată liniar care călătorește în orice direcție, vectorul E este întotdeauna în același plan.

Deoarece sarcinile dintr-un vibrator electromagnetic liniar suferă tocmai această mișcare de oscilație, unda electromagnetică emisă de vibrator este polarizată liniar. Acest lucru este ușor de verificat experimental prin schimbarea orientării vibratorului receptor față de cel emitent.

Orez. 185. Câmpuri electrice și magnetice într-o undă polarizată liniar călător

Semnalul este cel mai mare atunci când vibratorul receptor este paralel cu cel care emite (vezi Fig. 178). Dacă vibratorul receptor este rotit perpendicular pe cel care emite, semnalul dispare. Vibrațiile electrice în vibratorul receptor pot apărea numai datorită componentei câmpului electric a undei direcționate de-a lungul vibratorului. Prin urmare, un astfel de experiment indică faptul că câmpul electric din undă este paralel cu vibratorul radiant.

Sunt posibile și alte tipuri de polarizare a undelor electromagnetice transversale. Dacă, de exemplu, vectorul E într-un anumit punct în timpul trecerii unei unde se rotește uniform în jurul direcției de propagare, rămânând neschimbat ca mărime, atunci unda se numește polarizat circular sau polarizat într-un cerc. Un „portret” instantaneu al câmpului electric al unei astfel de unde electromagnetice este prezentat în Fig. 186.

Orez. 186. Câmp electric într-o undă polarizată circular

O undă polarizată circular poate fi obținută prin adăugarea a două unde polarizate liniar de aceeași frecvență și amplitudine care se propagă în aceeași direcție, în care vectorii câmpului electric sunt reciproc perpendiculari. În fiecare undă, vectorul câmpului electric în fiecare punct suferă o oscilație armonică. Pentru ca adăugarea unor astfel de oscilații reciproc perpendiculare să aibă ca rezultat o rotație a vectorului rezultat, este necesară o schimbare de fază.Cu alte cuvinte, adăugarea undelor polarizate liniar trebuie să fie deplasată cu un sfert din lungimea de undă una față de alta.

Impul de undă și presiune ușoară. Alături de energie, unda electromagnetică are și impuls. Dacă o undă este absorbită, atunci impulsul ei este transferat obiectului care o absoarbe. Rezultă că atunci când este absorbită, unda electromagnetică exercită presiune asupra barierei. Originea presiunii undei și mărimea acestei presiuni pot fi explicate după cum urmează.

Dirijată într-o linie dreaptă. Atunci puterea P absorbită de sarcină este egală cu

Vom presupune că toată energia undei incidente este absorbită de barieră. Deoarece o undă aduce energie pe unitatea de suprafață a unui obstacol pe unitatea de timp, presiunea exercitată de undă în timpul incidenței normale este egală cu densitatea de energie a undei.Forța de presiune a undei electromagnetice absorbite o transmite obstacolului pe unitate de timp un impuls egal, conform formulei (15), cu energia absorbită împărțită la viteza luminii c . Aceasta înseamnă că unda electromagnetică absorbită a avut un impuls care este egal cu energia împărțită la viteza luminii.

Pentru prima dată, presiunea undelor electromagnetice a fost descoperită experimental de P. N. Lebedev în 1900 în experimente extrem de subtile.

Cum diferă oscilațiile electromagnetice cvasi-staționare dintr-un circuit oscilator închis de oscilațiile de înaltă frecvență dintr-un vibrator deschis? Dați o analogie mecanică.

Explicați de ce unde electromagnetice nu sunt emise în timpul oscilațiilor electromagnetice cvasi-staționare într-un circuit închis. De ce apare radiația în timpul oscilațiilor electromagnetice într-un vibrator deschis?

Descrieți și explicați experimentele lui Hertz privind excitarea și detectarea undelor electromagnetice. Ce rol joacă eclatorul în vibratoarele de transmisie și recepție?

Explicați cum, odată cu mișcarea accelerată a unei sarcini electrice, câmpul electrostatic longitudinal se transformă în câmpul electric transversal al undei electromagnetice emise de aceasta.

Pe baza considerațiilor energetice, arătați că intensitatea câmpului electric al unei unde sferice emisă de un vibrator scade cu 1 1r (spre deosebire de un câmp electrostatic).

Ce este o undă electromagnetică monocromatică? Ce este lungimea de undă? Cum este legat de frecvență? Care este proprietatea undelor electromagnetice transversale?

Cum se numește polarizarea unei unde electromagnetice? Ce tipuri de polarizare cunoașteți?

Ce argumente puteți oferi pentru a justifica faptul că o undă electromagnetică are impuls?

Explicați rolul forței Lorentz în apariția forței de presiune a unei unde electromagnetice asupra unui obstacol.