), elektromagnetvälja kirjeldav, näitas teoreetiliselt, et elektromagnetväli vaakumis võib eksisteerida ka allikate – laengute ja voolude – puudumisel. Allikateta väli on lainete kujul, mis levivad piiratud kiirusega, mis vaakumis võrdub valguse kiirusega: Koos= 299792458±1,2 m/s. Elektromagnetlainete levimiskiiruse kokkulangevus vaakumis varem mõõdetud valguse kiirusega võimaldas Maxwellil järeldada, et valgus on elektromagnetlained. Sarnane järeldus pani hiljem aluse valguse elektromagnetilisele teooriale.
1888. aastal sai elektromagnetlainete teooria eksperimentaalse kinnituse G. Hertzi katsetes. Kasutades kõrgepingeallikat ja vibraatoreid (vt Hertzi vibraator), suutis Hertz teha peeneid katseid, et määrata kindlaks elektromagnetlaine levimiskiirus ja pikkus. Eksperimentaalselt kinnitati, et elektromagnetlaine levimiskiirus on võrdne valguse kiirusega, mis tõestas valguse elektromagnetilist olemust.
Elektromagnetlainete avastamine - imeline näide eksperimendi ja teooria vastastikmõju. See näitab, kuidas füüsika on ühendanud pealtnäha täiesti erinevad omadused – elektri ja magnetismi –, avastades neis sama füüsikalise nähtuse – elektromagnetilise vastastikmõju – erinevaid tahke. Tänapäeval on see üks neljast teadaolevast fundamentaalsest füüsilisest vastasmõjust, mis hõlmab ka tugevaid ja nõrku tuumajõude ning gravitatsiooni. Juba on konstrueeritud elektronõrga interaktsiooni teooria, mis kirjeldab elektromagnetilist ja nõrka vastastikmõju ühtsest vaatepunktist. tuumajõud. On olemas ka järgmine ühendav teooria – kvantkromodünaamika –, mis katab elektronõrga ja tugeva vastastikmõju, kuid selle täpsus on mõnevõrra väiksem. Kirjelda Kõik põhilised vastasmõjudÜhtset seisukohta pole veel suudetud saavutada, kuigi selles suunas tehakse intensiivseid uuringuid selliste füüsikavaldkondade nagu stringiteooria ja kvantgravitatsioon raames.
Elektromagnetlaineid ennustas teoreetiliselt suur inglise füüsik James Clerk Maxwell (tõenäoliselt esmakordselt 1862. aastal raamatus On Physical Lines of Force, kuigi Täpsem kirjeldus teooria avaldati 1867). Ta püüdis usinalt ja suure austusega tõlkida rangesse matemaatilisse keelde Michael Faraday pisut naiivseid elektri- ja magnetnähtusi kirjeldavaid pilte, aga ka teiste teadlaste tulemusi. Korraldanud kõik elektrilised ja magnetilised nähtused ühtemoodi, avastas Maxwell hulga vastuolusid ja sümmeetria puudumise. Faraday seaduse kohaselt tekitavad vahelduvad magnetväljad elektrivälju. Kuid polnud teada, kas vahelduvad elektriväljad tekitavad magnetvälju. Maxwellil õnnestus vabaneda vastuolust ning taastada elektri- ja magnetvälja sümmeetria, lisades võrranditesse lisatermini, mis kirjeldas magnetvälja tekkimist elektrivälja muutumisel. Selleks ajaks oli tänu Oerstedi katsetele see juba teada D.C. loob juhi ümber pideva magnetvälja. Uus termin kirjeldas teistsugust magnetvälja allikat, kuid seda võib pidada mingiks kujutluslikuks elektrit, millele Maxwell helistas nihkevool, et eristada seda tavalisest voolust juhtides ja elektrolüütides - juhtivusvool. Selle tulemusena selgus, et vahelduvad magnetväljad tekitavad elektrivälju ja vahelduvad elektriväljad magnetilisi. Ja siis mõistis Maxwell, et sellises kombinatsioonis võivad võnkuvad elektri- ja magnetväljad neid tekitavatest juhtidest lahti murda ja vaakumis teatud, kuid väga suure kiirusega liikuda. Ta arvutas selle kiiruse välja ja see osutus umbes kolmsada tuhat kilomeetrit sekundis.
Tulemusest šokeerituna kirjutas Maxwell William Thomsonile (lord Kelvin, kes võttis kasutusele absoluutse temperatuuriskaala): „Meie hüpoteetilise keskkonna põiklainete võnkumiste kiirus, mis on arvutatud Kohlrauschi ja Weberi elektromagnetiliste katsete põhjal, langeb kokku nii. täpselt Fizeau optiliste katsete põhjal arvutatud valguse kiirusega, et me vaevalt ei saa keelduda järeldusest, et valgus koosneb sama keskkonna põikivõnketest, mis põhjustavad elektrilisi ja magnetnähtusi" Ja edasi kirjas: „Sain oma võrrandid kätte provintsides elades ja kahtlustamata leitud magnetmõjude levimiskiiruse lähedust valguse kiirusele, seega arvan, et mul on põhjust arvestada magnetilise ja helenduvad ained kui sama keskkond ..."
Maxwelli võrrandid ulatuvad kaugelt koolifüüsika kursuse mahust, kuid on nii ilusad ja lakoonilised, et need tuleks füüsikaklassis silmapaistvale kohale paigutada, sest enamikku inimese jaoks olulisi loodusnähtusi saab kirjeldada vaid mõne üksikuga. nende võrrandite read. Nii tihendatakse teavet, kui kombineerida varem heterogeenseid fakte. Siin on üht tüüpi Maxwelli võrrandid diferentsiaalesituses. Imetlege seda.
Tahaksin rõhutada, et Maxwelli arvutused andsid heidutava tagajärje: elektri- ja magnetvälja võnkumised on risti (mida ta ise kogu aeg rõhutas). Ja põikivõnked levivad ainult sisse tahked ained, kuid mitte vedelikes ja gaasides. Selleks ajaks oli usaldusväärselt mõõdetud, et ristvibratsiooni kiirus tahkistes (lihtsalt heli kiirus) on seda suurem, mida kõvem on jämedalt öeldes keskmine (mida kõrgem on Youngi moodul ja väiksem tihedus) ning võib ulatuda mitmeni. kilomeetrit sekundis. Ristsuunalise elektromagnetlaine kiirus oli peaaegu sada tuhat korda suurem heli kiirusest tahketes ainetes. Ja tuleb märkida, et jäikuse karakteristik sisaldub helikiiruse võrrandis tahkes kehas juure all. Selgus, et keskkonnal, mille kaudu elektromagnetlained (ja valgus) liiguvad, on koletu elastsusomadused. Tekkis äärmiselt keeruline küsimus: "Kuidas liiguvad teised kehad läbi sellise kindla keskkonna ja ei tunne seda?" Hüpoteetilist keskkonda nimetati eetriks, omistades sellele nii kummalisi kui ka üldiselt üksteist välistavaid omadusi - tohutut elastsust ja erakordset kergust.
Maxwelli teosed tekitasid tänapäeva teadlaste seas šoki. Faraday ise kirjutas üllatunult: "Alguses ma isegi ehmusin, kui nägin küsimusele sellist matemaatilist jõudu rakendavat, kuid siis üllatusin, et küsimus pidas seda nii hästi vastu." Hoolimata asjaolust, et Maxwelli seisukohad lükkasid ümber kõik tol ajal tuntud ideed ristlainete leviku ja lainetuse kohta üldiselt, mõistsid ettenägelikud teadlased, et valguse kiiruse ja elektromagnetlainete kokkulangevus oli fundamentaalne tulemus, mis näitas, et just siin ootas füüsikat ees suur läbimurre.
Kahjuks suri Maxwell varakult ega näinud oma arvutuste usaldusväärset eksperimentaalset kinnitust. Rahvusvaheline teaduslik arvamus muutus Heinrich Hertzi katsete tulemusel, kes 20 aastat hiljem (1886–1889) demonstreeris elektromagnetlainete tekitamist ja vastuvõtmist mitmes katses. Hertz mitte ainult ei saanud laborivaikuses õiget tulemust, vaid kaitses kirglikult ja kompromissitult Maxwelli seisukohti. Pealegi ei piirdunud ta elektromagnetlainete olemasolu eksperimentaalsete tõestustega, vaid uuris ka nende põhiomadusi (peegeldus peeglitelt, murdumine prismades, difraktsioon, interferents jne), näidates elektromagnetlainete täielikku identsust valgusega.
On kurioosne, et seitse aastat enne Hertzi, 1879. aastal, demonstreeris inglise füüsik David Edward Hughes (Hughes – D. E. Hughes) ka teistele silmapaistvatele teadlastele (nende hulgas oli ka geniaalne füüsik ja matemaatik Georg-Gabriel Stokes) leviku mõju. õhus leiduvatest elektromagnetlainetest. Arutelude tulemusena jõudsid teadlased järeldusele, et nad näevad Faraday elektromagnetilise induktsiooni fenomeni. Hughes oli ärritunud, ei uskunud ennast ja avaldas tulemused alles 1899. aastal, kui Maxwell-Hertzi teooria sai üldtunnustatud. See näide viitab sellele, et teaduses pole saavutatud tulemuste järjekindel levitamine ja propaganda sageli vähem oluline kui teaduslik tulemus ise.
Heinrich Hertz võttis oma katsete tulemused kokku: „Kirjeldatud katsed, vähemalt mulle tundub, kõrvaldavad kahtlused valguse identiteedi suhtes, soojuskiirgus ja elektrodünaamiline laine liikumine".
Elektromagnetlained on vahelduva elektromagnetvälja levimise protsess ruumis. Teoreetiliselt ennustas elektromagnetlainete olemasolu inglise teadlane Maxwell 1865. aastal ja esimest korda sai need katseliselt Saksa teadlane Hertz 1888. aastal.
Maxwelli teooriast järgige valemeid, mis kirjeldavad vektorite võnkumisi ja. Tasapinnaline monokromaatiline elektromagnetlaine, mis levib piki telge x, kirjeldatakse võrranditega
Siin E Ja H- hetkväärtused ja E m ja H m - elektri- ja magnetvälja tugevuse amplituudi väärtused, ω - ringsagedus, k- laine number. Vektorid ja võnkuvad sama sageduse ja faasiga, on üksteisega risti ja lisaks risti vektoriga - laine levimise kiirus (joon. 3.7). See tähendab, et elektromagnetlained on risti.
Vaakumis liiguvad elektromagnetlained kiirusega. Dielektrilise konstandiga keskkonnas ε ja magnetiline läbilaskvus µ elektromagnetlaine levimiskiirus on võrdne:
Elektromagnetiliste võnkumiste sagedus ja ka lainepikkus võivad põhimõtteliselt olla kõik. Lainete klassifitseerimist sageduse (või lainepikkuse) järgi nimetatakse elektromagnetlainete skaalaks. Elektromagnetlained jagunevad mitut tüüpi.
Raadiolained mille lainepikkus on 10 3 kuni 10 -4 m.
Kerged lained sisaldab:
Röntgenikiirgus - 
.
Valguslained on elektromagnetlained, mis hõlmavad spektri infrapuna-, nähtavat ja ultraviolettkiirgust. Valguse lainepikkused vaakumis, mis vastavad nähtava spektri põhivärvidele, on toodud allolevas tabelis. Lainepikkus on antud nanomeetrites.
Tabel
Valguslainetel on samad omadused mis elektromagnetlainetel.
1. Valguslained on risti.
2. Vektorid ja võnkuvad valguslaines.
Kogemused näitavad, et kõikvõimalikud mõjud (füsioloogilised, fotokeemilised, fotoelektrilised jne) on põhjustatud elektrivektori võnkumisest. Teda kutsutakse valguse vektor .
Valgusvektori amplituud E m on sageli tähistatud tähega A ja võrrandi (3.30) asemel kasutatakse võrrandit (3.24).
3. Valguse kiirus vaakumis.
Valguslaine kiirus keskkonnas määratakse valemiga (3.29). Kuid läbipaistva kandja (klaas, vesi) puhul on see tavaline.
Valguslainete puhul võetakse kasutusele absoluutse murdumisnäitaja mõiste.
Absoluutne murdumisnäitaja on valguse kiiruse vaakumis ja valguse kiiruse suhe antud keskkonnas
Alates (3.29), võttes arvesse asjaolu, et läbipaistva meedia jaoks saame kirjutada võrdsuse.
Vaakumi jaoks ε = 1 ja n= 1. Iga füüsilise keskkonna jaoks n> 1. Näiteks vee jaoks n= 1,33, klaasi jaoks. Kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda nimetatakse optiliselt tihedamaks. Absoluutsete murdumisnäitajate suhet nimetatakse suhteline murdumisnäitaja:
4. Valguslainete sagedus on väga kõrge. Näiteks lainepikkusega punase valguse jaoks.
Kui valgus liigub ühest keskkonnast teise, siis valguse sagedus ei muutu, küll aga muutuvad kiirus ja lainepikkus.
Vaakumi jaoks - ; keskkonna jaoks - , siis
.
Seega on valguse lainepikkus keskkonnas võrdne vaakumis oleva valguse lainepikkuse ja murdumisnäitaja suhtega
5. Kuna valguslainete sagedus on väga kõrge 
, siis vaatleja silm ei erista üksikuid vibratsioone, vaid tajub keskmisi energiavooge. See tutvustab intensiivsuse mõistet.
Intensiivsus on laine poolt ülekantud keskmise energia suhe ajaperioodi ja laine levimissuunaga risti oleva ala pindala:
Kuna laineenergia on võrdeline amplituudi ruuduga (vt valem (3.25)), on intensiivsus võrdeline amplituudi ruudu keskmise väärtusega
Valguse intensiivsuse tunnus, võttes arvesse selle võimet tekitada visuaalseid aistinguid, on valgusvoog - F .
6. Valguse laineline olemus avaldub näiteks sellistes nähtustes nagu interferents ja difraktsioon.
Laenguvõnkumiste sageduse muutumise käigus toimuv elektromagnetlainete kiirgus muudab lainepikkust ja omandab erinevaid omadusi. Inimene on sõna otseses mõttes ümbritsetud seadmetest, mis kiirgavad ja võtavad vastu elektromagnetlaineid. Need on mobiiltelefonid, raadio, telesaadete edastamine, röntgeniaparaadid meditsiiniasutustes jne. Isegi inimkehas on elektromagnetväli ja väga huvitaval kombel on igal organil oma kiirgussagedus. Levivad eralduvad laetud osakesed mõjutavad üksteist, kutsudes esile muutuse vibratsiooni sageduses ja energia tootmises, mida saab kasutada nii loomingulistel kui ka hävitavatel eesmärkidel.
Elektromagnetiline kiirgus. Üldine informatsioon
Elektromagnetkiirgus on elektri- ja magnetvälja vastasmõjust põhjustatud elektromagnetvõnkumiste leviku oleku ja intensiivsuse muutus.
Elektromagnetkiirgusele iseloomulike omaduste põhjalikku uurimist viivad läbi:
- elektrodünaamika;
- optika;
- radiofüüsika.
Elektromagnetlainete emissioon tekib ja levib laengute võnkumisel, mille käigus vabaneb energia. Nende levimismuster on sarnane mehaaniliste lainetega. Laengute liikumist iseloomustab kiirendus – nende kiirus muutub ajas, mis on elektromagnetlainete emissiooni põhitingimus. Laine võimsus on otseselt seotud kiirendusjõuga ja on sellega otseselt võrdeline.
Näitajad, mis määravad omadused elektromagnetiline kiirgus:
- laetud osakeste vibratsioonisagedus;
- emiteeritud voo lainepikkus;
- polarisatsioon.
Elektriväli, mis on vibratsioonile alluvale laengule kõige lähemal, muutub. Nendele muutustele kuluv aeg on võrdne laengu võnkumiste perioodiga. Laengu liikumist võib võrrelda vedrule riputatud keha võnkumistega, erinevus on vaid liikumissageduses.
Mõiste "kiirgus" viitab elektromagnetväljadele, mis tormavad lähteallikast võimalikult kaugele ja kaotavad kauguse suurenedes oma intensiivsuse, moodustades laine.
Elektromagnetlainete levik
Maxwelli tööd ja tema avastatud elektromagnetismi seadused võimaldavad ammutada palju rohkem teavet, kui uurimistöö aluseks olevad faktid seda pakkuda suudavad. Näiteks üks elektromagnetismi seadustel põhinevatest järeldustest on järeldus, et elektromagnetilisel vastastikmõjul on piiratud levikiirus.
Kui järgime kaugtegevuse teooriat, leiame, et jõud, mis mõjutab elektrilaeng, mis on statsionaarses olekus, muudab oma jõudlust naaberlaengu asukoha muutumisel. Selle teooria kohaselt "tunneb" laeng sõna otseses mõttes läbi vaakumi omalaadset kohalolekut ja võtab tegevuse koheselt üle.
Moodustunud lühitegevuse kontseptsioonidel on toimuvale täiesti erinev vaade. Laengul on liikumisel vahelduv elektriväli, mis omakorda aitab kaasa vahelduva magnetvälja tekkimisele lähiruumis. Pärast seda provotseerib vahelduv magnetväli ahelas elektrilise ja nii edasi.
Seega tekib elektromagnetvälja "häirimine", mis on põhjustatud laengu asukoha muutumisest ruumis. See levib ja selle tulemusena mõjutab olemasolev väli, muutes seda. Jõudnud naaberlaenuni, muudab "häire" sellele mõjuva jõu näitajates. See juhtub mõni aeg pärast esimese laadimise nihutamist.
Maxwelli huvitas kirglikult elektromagnetlainete levimise põhimõte. Kulutatud aega ja vaeva kroonis lõpuks edu. Ta tõestas selle protsessi piiratud kiiruse olemasolu ja andis sellele matemaatilise põhjenduse.
Elektromagnetvälja olemasolu reaalsust kinnitab "häiringu" piiratud kiirus ja see vastab valguse kiirusele aatomiteta ruumis (vaakum).
Elektromagnetilise kiirguse skaala
Universum on täidetud erineva kiirgusulatusega ja radikaalselt erineva lainepikkusega elektromagnetväljadega, mis võivad varieeruda mitmekümnest kilomeetrist kuni tühise sentimeetri murdosani. Need võimaldavad saada teavet objektide kohta, mis asuvad Maast tohutul kaugusel.
Tuginedes James Maxwelli väitele elektromagnetlainete pikkuse erinevuse kohta, töötati välja spetsiaalne skaala, mis sisaldab olemasolevate sageduste ja kiirguse pikkuste vahemike klassifikatsiooni, mis moodustavad ruumis vahelduva magnetvälja.
G. Hertz ja P. N. Lebedev tõestasid oma töös eksperimentaalselt Maxwelli väidete õigsust ja põhjendasid tõsiasja, et valguskiirgus on elektromagnetvälja lained, mida iseloomustab lühike pikkus ja mis tekivad aatomite ja molekulide loomuliku vibratsiooni tõttu.
Vahemikkude vahel pole teravaid üleminekuid, kuid neil pole ka selgeid piire. Olenemata kiirguse sagedusest kirjeldavad kõik skaala punktid elektromagnetlaineid, mis ilmnevad laetud osakeste asukoha muutumise tõttu. Laengute omadusi mõjutab lainepikkus. Kui selle näitajad muutuvad, muutuvad peegeldavad, läbitungimisvõimed, nähtavuse tase jne.
Elektromagnetlainete iseloomulikud tunnused annavad neile võimaluse vabalt levida nii vaakumis kui ka ainega täidetud ruumis. Tuleb märkida, et ruumis liikudes muudab kiirgus oma käitumist. Tühjuses kiirguse levimiskiirus ei muutu, sest võnkumiste sagedus on rangelt seotud lainepikkusega.
Erineva ulatusega elektromagnetlained ja nende omadused
Elektromagnetlainete hulka kuuluvad:
- Madala sagedusega lained. Iseloomustab võnkesagedus mitte üle 100 kHz. Seda vahemikku kasutatakse töötamiseks elektriseadmed ja mootorid, näiteks mikrofon või valjuhääldi, telefonivõrgud, samuti raadioringhäälingu, filmitööstuse jne valdkonnas. Madalsageduslikud lained erinevad kõrgema võnkesagedusega lainetest, levikiiruse tegelik vähenemine on võrdeline ruutjuur nende sagedused. Lodge ja Tesla andsid olulise panuse madala sagedusega lainete avastamisse ja uurimisse.
- Raadiolained. Hertzi raadiolainete avastamine 1886. aastal andis maailmale võimaluse edastada teavet ilma juhtmeid kasutamata. Raadiolaine pikkus mõjutab selle levimise olemust. Need, nagu helilainete sagedused, tekivad vahelduvvoolu tõttu (raadioside protsessis voolab vahelduvvool vastuvõtjasse - antenni). Kõrgsageduslikud raadiolained aitavad kaasa raadiolainete märkimisväärsele emissioonile ümbritsevasse ruumi, mis annab ainulaadse võimaluse edastada teavet pikkade vahemaade taha (raadio, televisioon). Seda tüüpi mikrolainekiirgust kasutatakse nii kosmoses suhtlemiseks kui ka igapäevaelus. Näiteks raadiolaineid kiirgavast mikrolaineahjust on saanud koduperenaiste hea abiline.
- Infrapunakiirgus (nimetatakse ka "termiliseks"). Elektromagnetilise kiirguse skaala klassifikatsiooni järgi paikneb infrapunakiirguse levimispiirkond pärast raadiolaineid ja enne nähtavat valgust. Infrapunalaineid kiirgavad kõik soojust kiirgavad kehad. Sellise kiirguse allikad on näiteks ahjud, vee soojusülekandel põhinevad kütteks kasutatavad patareid ja hõõglambid. Tänaseks välja töötatud spetsiaalsed seadmed, mis võimaldavad täielikus pimeduses näha objekte, millest õhkub soojust. Madudel on sellised loomulikud soojustuvastusandurid silmade piirkonnas. See võimaldab neil saaki jälgida ja öösel jahti pidada. Inimene kasutab infrapunakiirgust näiteks hoonete kütmiseks, köögiviljade ja puidu kuivatamiseks, militaarvaldkonnas (näiteks öövaatlusseadmed või termokaamerad), helikeskuse või teleri ja muude seadmete juhtmevabaks juhtimiseks. Pult.
- Nähtav valgus. Sellel on valgusspekter punasest violetseni ja seda tajub inimsilm, mis on peamine eristav omadus. Erinevatel lainepikkustel eralduv värv avaldab elektrokeemilist mõju inimese visuaalsele tajusüsteemile, kuid ei kuulu selles vahemikus olevate elektromagnetlainete omaduste hulka.
- Ultraviolettkiirgus. Inimsilm seda ei tuvasta ja selle lainepikkus on lühem kui violetse valguse lainepikkus. Väikestes annustes põhjustavad ultraviolettkiired tervendav toime, soodustavad D-vitamiini tootmist, omavad bakteritsiidset toimet ja avaldavad positiivset mõju kesk närvisüsteem. Keskkonna liigne küllastumine ultraviolettkiirtega põhjustab kahjustusi nahka ja võrkkesta kahjustus, mistõttu silmaarstid soovitavad suvekuudel kasutada päikeseprille. Ultraviolettkiirgust kasutatakse meditsiinis (ultraviolettkiiri kasutatakse kvartslambid), rahatähtede ehtsuse kontrollimiseks, meelelahutuse eesmärgil diskoteegis (selline valgustus paneb heledad materjalid helendama) ja ka toiduainete sobivuse määramiseks.
- Röntgenikiirgus. Sellised lained on inimsilmale nähtamatud. Neil on hämmastav omadus tungida läbi ainekihtide, vältides tugevat neeldumist, mis on nähtavatele valguskiirtele ligipääsmatu. Kiirgus põhjustab teatud tüüpi kristallide sära ja mõjutab fotofilmi. Kasutatakse meditsiinis haiguste diagnoosimiseks siseorganid ja teatud haiguste loetelu raviks, testimiseks sisemine struktuur tooted defektide jaoks, samuti seadmete keevisõmblused.
- Gammakiirgus. Lühima lainepikkusega elektromagnetkiirgus, mida kiirgavad aatomi tuumad. Lainepikkuse vähendamine toob kaasa muutused kvaliteedinäitajates. Gammakiirguse läbitungimisvõime on kordades suurem kui röntgenikiirgusel. Saab läbida betoonseinühe meetri paksune ja isegi läbi mitme sentimeetri paksuste pliitõkete. Ainete lagunemise või ühinemise käigus toimub eraldumine koostiselemendid aatom, mida nimetatakse kiirguseks. Sellised lained liigitatakse radioaktiivne kiirgus. Tuumalõhkepea plahvatamisel tekib lühiajaliselt elektromagnetväli, mis on gammakiirte ja neutronite vahelise reaktsiooni tulemus. See on ka peamine element tuumarelvad, millel on kahjustav toime, blokeerib või häirib täielikult raadioelektroonika, juhtmega side ja toiteallikat tagavate süsteemide tööd. Samuti vabaneb tuumarelva plahvatamisel palju energiat.
järeldused
Elektromagnetvälja lainetel, millel on teatud pikkus ja mis on teatud kõikumiste vahemikus, võivad olla mõlemad positiivne mõju inimkehast ja selle kohanemistasemest keskkond, tänu abiseadmete arendamisele elektriseadmed, samuti negatiivseid ja isegi hävitavaid mõjusid inimeste tervisele ja keskkonnale.
Elektromagnetlaineid klassifitseeritakse lainepikkuse λ või sellega seotud lainesageduse järgi f. Pange tähele ka seda, et need parameetrid iseloomustavad mitte ainult lainet, vaid ka elektromagnetvälja kvantomadusi. Vastavalt sellele kirjeldatakse esimesel juhul elektromagnetlainet sellel kursusel uuritud klassikaliste seadustega.
Vaatleme elektromagnetlainete spektri mõistet. Elektromagnetlainete spekter on looduses eksisteerivate elektromagnetlainete sagedusriba.
Elektromagnetilise kiirguse spekter sageduse suurenemise järjekorras on:
Elektromagnetilise spektri erinevad osad erinevad selle poolest, kuidas nad kiirgavad ja võtavad vastu spektri ühte või teise osa kuuluvaid laineid. Sel põhjusel ei ole elektromagnetilise spektri erinevate osade vahel teravaid piire, vaid iga vahemiku määravad selle iseärasused ja seaduste levimus, mis on määratud lineaarsete skaalade suhetega.
Raadiolaineid uurib klassikaline elektrodünaamika. Infrapunavalgust ja ultraviolettkiirgust uurivad nii klassikaline optika kui ka kvantfüüsika. Röntgen- ja gammakiirgust uuritakse kvant- ja tuumafüüsikas.
Vaatleme üksikasjalikumalt elektromagnetlainete spektrit.
Madala sagedusega lained
Madalsageduslikud lained on elektromagnetlained, mille võnkesagedus ei ületa 100 kHz). Just seda sagedusvahemikku kasutatakse traditsiooniliselt elektrotehnikas. Tööstuslikus energeetikas kasutatakse sagedust 50 Hz, mille juures elektrienergia edastatakse liinide kaudu ja pinge muundatakse trafoseadmetega. Lennunduses ja maismaatranspordis kasutatakse sageli 400 Hz, mis pakub kaalueeliseid elektrimasinad ja trafod 8 korda võrreldes sagedusega 50 Hz. Viimase põlvkonna lülitustoiteallikad kasutavad teisendussagedusi vahelduvvooluühikut ja kümneid kHz, mis teeb need kompaktseks ja energiarikkaks.
Põhiline erinevus madalsagedusvahemiku ja kõrgemate sageduste vahel on elektromagnetlainete kiiruse langus võrdeliselt nende sageduse ruutjuurega 300 tuhandelt km/s sagedusel 100 kHz kuni ligikaudu 7 tuhande km/s sagedusel 50 Hz.
Raadiolained
Raadiolained on elektromagnetlained, mille lainepikkus on suurem kui 1 mm (sagedus alla 3 10 11 Hz = 300 GHz) ja alla 3 km (üle 100 kHz).
Raadiolained jagunevad:
1. Pikad lained pikkusevahemikus 3 km kuni 300 m (sagedus vahemikus 10 5 Hz - 10 6 Hz = 1 MHz);
2. Kesklained pikkusevahemikus 300 m kuni 100 m (sagedus vahemikus 10 6 Hz -3*10 6 Hz = 3 MHz);
3. Lühikesed lained lainepikkuste vahemikus 100m kuni 10m (sagedus vahemikus 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz);
4. Ultralühilained lainepikkusega alla 10 m (sagedus üle 310 7 Hz = 30 MHz).
Ultralühilained jagunevad omakorda:
A) meetrilained;
B) sentimeetri lained;
B) millimeeterlained;
Laineid, mille lainepikkus on alla 1 m (sagedus alla 300 MHz), nimetatakse mikrolaineteks või ülikõrgsageduslikeks laineteks (mikrolainelained).
Kuna raadioulatuse lainepikkused võrreldes aatomite suurusega on suured, võib raadiolainete levikut käsitleda ilma kandja aatomistruktuuri arvestamata, s.t. fenomenoloogiliselt, nagu Maxwelli teooria konstrueerimisel kombeks. Raadiolainete kvantomadused ilmnevad vaid kõige lühemate lainete puhul, mis külgnevad spektri infrapunaosaga ning levimise ajal nn. ülilühikesed impulsid kestusega suurusjärgus 10-12 sek - 10-15 sek, mis on võrreldavad elektronide võnkumise ajaga aatomites ja molekulides.
Põhiline erinevus raadiolainete ja kõrgemate sageduste vahel on erinev termodünaamiline seos lainekandja (eetri) lainepikkuse, mis on võrdne 1 mm (2,7 °K) ja selles keskkonnas leviva elektromagnetlaine vahel.
Raadiolainete kiirguse bioloogiline mõju
Võimsa raadiolainekiirguse kasutamise kohutav ohverduskogemus radaritehnoloogias näitas raadiolainete spetsiifilist mõju sõltuvalt lainepikkusest (sagedusest).
Peal Inimkeha Hävitavat mõju avaldab mitte niivõrd keskmine võimsus, kuivõrd kiirguse tippvõimsus, mille juures tekivad valgustruktuurides pöördumatud nähtused. Näiteks mikrolaineahju (mikrolaineahju) magnetroni pideva kiirguse võimsus, mis ulatub 1 kW, mõjutab ainult ahju väikeses suletud (varjestatud) mahus olevat toitu ja on läheduses viibivale inimesele peaaegu ohutu. Radarijaama (radari) võimsus 1 kW keskmise võimsusega, mida kiirgavad lühikesed impulsid töötsükliga 1000:1 (kordusperioodi ja impulsi kestuse suhe) ja vastavalt impulsi võimsus 1 MW, on väga ohtlik inimeste tervisele ja elule kuni sadade meetrite kaugusel emitterist. Viimases mängib muidugi rolli ka radari kiirguse suund, mis rõhutab pigem impulss- kui keskmise võimsuse hävitavat mõju.
Kokkupuude meetrilainetega
Suure intensiivsusega mõõtelained, mida kiirgavad meeterradarijaamade (radarite) impulssgeneraatorid, mille impulsi võimsus on üle megavati (näiteks varajase hoiatamise jaam P-16) ja mis on vastavuses inimeste ja loomade seljaaju pikkusega, samuti aksonite pikkus, häirivad nende struktuuride juhtivust, põhjustades dientsefaalset sündroomi (HF-haigust). Viimane toob kaasa inimese jäsemete täieliku või osalise (olenevalt saadud impulssdoosist) pöördumatu halvatuse kiire arengu (mitme kuu kuni mitme aasta jooksul), samuti soolestiku innervatsiooni häireid ja häireid. muud siseorganid.
Detsimeeterlainete mõju
Detsimeeterlained on lainepikkuselt võrreldavad veresoontega, hõlmates selliseid inimeste ja loomade organeid nagu kopsud, maks ja neerud. See on üks põhjusi, miks nad põhjustavad nendes elundites "healoomuliste" kasvajate (tsüstide) arengut. Need kasvajad, mis arenevad veresoonte pinnal, põhjustavad normaalse vereringe lakkamist ja elundite talitlushäireid. Kui selliseid kasvajaid ei eemaldata õigeaegselt kirurgiliselt, tekib keha surm. Ohtliku intensiivsusega detsimeeterlaineid kiirgavad selliste radarite magnetronid nagu mobiilne õhutõrjeradar P-15, aga ka mõne lennuki radar.
Kokkupuude sentimeetrilainetega
Võimsad sentimeetrilained põhjustavad inimestel ja loomadel selliseid haigusi nagu leukeemia – “valgevereline”, aga ka teisi pahaloomuliste kasvajate vorme. Nende haiguste esinemiseks piisava intensiivsusega laineid tekitavad sentimeetrikaugusradarid P-35, P-37 ja peaaegu kõik lennukiradarid.
Infrapuna-, valgus- ja ultraviolettkiirgus
Infrapuna, valgus, ultraviolett kiirgus ulatub elektromagnetlainete spektri optiline piirkond selle sõna laiemas tähenduses. See spekter hõlmab elektromagnetiliste lainepikkuste vahemikku 2,10 -6 m = 2 μm kuni 10 -8 m = 10 nm (sagedus 1,5 × 10 14 Hz kuni 3,10 16 Hz). Optilise ulatuse ülempiir määrab infrapunakiirguse pika laine piir ja alumine ultraviolettkiirguse lühilaine piir (joonis 2.14).
Loetletud lainete spektripiirkondade lähedus määras nende uurimiseks kasutatud meetodite ja instrumentide sarnasuse ning praktilise rakendamise. Ajalooliselt kasutati nendel eesmärkidel läätsi, difraktsioonvõre, prismasid, diafragmasid ja optiliselt aktiivseid aineid, mis sisaldusid erinevates optilistes seadmetes (interferomeetrid, polarisaatorid, modulaatorid jne).
Teisest küljest on spektri optilise piirkonna kiirgusel erinevate meediumite üldised ülekandemustrid, mida saab saada geomeetrilise optika abil, mida kasutatakse laialdaselt nii optiliste seadmete kui ka optiliste signaalide levikanalite arvutamisel ja ehitamisel. Infrapunakiirgus on nähtav paljudele lülijalgsetele (putukad, ämblikud jne) ja roomajatele (maod, sisalikud jne) , mis on juurdepääsetav pooljuhtanduritele (infrapuna-fotokiibid), kuid seda ei edasta Maa atmosfääri paksus, mis ei luba jälgige Maa pinnalt infrapunatähti - "pruune kääbusid", mis moodustavad üle 90% kõigist galaktika tähtedest.
Optilise vahemiku sageduslaius on ligikaudu 18 oktaavi, millest optiline vahemik moodustab ligikaudu ühe oktaavi (); ultraviolettkiirguse jaoks - 5 oktaavi ( 
), infrapunakiirgus - 11 oktaavi (
Spektri optilises osas muutuvad oluliseks aine aatomistruktuurist tingitud nähtused. Sel põhjusel ilmnevad koos optilise kiirguse laineomadustega ka kvantomadused.
Valgus
|
Valgus, valgus, nähtav kiirgus- inimeste ja primaatide silmadele nähtav elektromagnetilise kiirguse optilise spektri osa hõivab elektromagnetiliste lainepikkuste vahemikus 400 nanomeetrit kuni 780 nanomeetrit, see tähendab alla ühe oktaavi - kahekordne sageduse muutus.
Riis. 1.14. Elektromagnetlainete skaala Valgusspektri värvide järjestuse verbaalne mälumeem: |
Röntgen- ja gammakiirgus
Röntgen- ja gammakiirguse vallas tõusevad esiplaanile kiirguse kvantomadused.
Röntgenikiirgus tekib kiirelt laetud osakeste (elektronid, prootonid jne) aeglustamisel, samuti aatomite elektrooniliste kestade sees toimuvate protsesside tulemusena.
Gammakiirgus on aatomituumades toimuvate nähtuste ja ka tuumareaktsioonide tagajärg. Röntgen- ja gammakiirguse vaheline piir määratakse kokkuleppeliselt antud kiirgussagedusele vastava energiakvanti väärtusega.
Röntgenikiirgus koosneb elektromagnetlainetest pikkusega 50 nm kuni 10 -3 nm, mis vastab kvantenergiale 20 eV kuni 1 MeV.
Gammakiirgus koosneb elektromagnetlainetest, mille lainepikkus on alla 10 -2 nm, mis vastab kvantenergiale, mis on suurem kui 0,1 MeV.
Valguse elektromagnetiline olemus
Valgus on elektromagnetlainete spektri nähtav osa, mille lainepikkused jäävad vahemikku 0,4 µm kuni 0,76 µm. Iga optilise kiirguse spektraalkomponendi saab määrata spetsiifiline värv. Optilise kiirguse spektraalkomponentide värvuse määrab nende lainepikkus. Kiirguse värvus muutub selle lainepikkuse vähenemisel järgmiselt: punane, oranž, kollane, roheline, tsüaan, indigo, violetne.
Vastav punane tuli pikim pikkus lained, määrab spektri punase piiri. Violetne valgus – vastab violetsele piirile.
Looduslik (päevavalgus, päikesevalgus) valgus ei ole värviline ja kujutab endast kõigest pärinevate elektromagnetlainete superpositsiooni inimestele nähtavad spekter Looduslik valgus tekib ergastatud aatomite elektromagnetlainete emissiooni tulemusena. Ergastuse olemus võib olla erinev: termiline, keemiline, elektromagnetiline jne. Ergastuse tulemusena kiirgavad aatomid juhuslikult ligikaudu 10-8 sekundi jooksul elektromagnetlaineid. Kuna aatomite ergastamise energiaspekter on üsna lai, siis kogu nähtavast spektrist kiirgub elektromagnetlaineid, mille algfaas, suund ja polarisatsioon on juhuslikud. Sel põhjusel ei ole loomulik valgus polariseeritud. See tähendab, et loodusliku valguse elektromagnetlainete, millel on vastastikku risti polarisatsioon, spektraalkomponentide "tihedus" on sama.
Harmoonilised elektromagnetlained valgusvahemikus nimetatakse ühevärviline. Monokromaatilise valguslaine puhul on üks peamisi omadusi intensiivsus. Valguslainete intensiivsus tähistab laine poolt edastatud energiavoo tiheduse (1,25) keskmist väärtust:
Kus on Poyntingi vektor.
Elektrivälja amplituudiga valguse, tasapinnalise, monokromaatilise laine intensiivsuse arvutamine dielektrilise ja magnetilise läbilaskvusega homogeenses keskkonnas valemiga (1.35), võttes arvesse (1.30) ja (1.32), annab:
Traditsiooniliselt käsitletakse optilisi nähtusi kiirte abil. Optiliste nähtuste kirjeldamist kiirte abil nimetatakse geomeetrilis-optiline. Geomeetrilises optikas välja töötatud kiirte trajektooride leidmise reegleid kasutatakse laialdaselt praktikas optiliste nähtuste analüüsimisel ja erinevate optiliste instrumentide ehitamisel.
Defineerime kiiri valguslainete elektromagnetilise esituse põhjal. Esiteks on kiired jooned, mida mööda elektromagnetlained levivad. Sel põhjusel on kiir sirge, mille igas punktis on elektromagnetlaine keskmistatud Poyntingi vektor suunatud sellele sirgele tangentsiaalselt.
Homogeenses isotroopses keskkonnas langeb keskmise Poyntingi vektori suund kokku lainepinna (ekvifaasipinna) normaalsuunaga, st. piki lainevektorit.
Seega on homogeenses isotroopses keskkonnas kiired risti elektromagnetlaine vastava lainefrondiga.
Mõelge näiteks ühevärvilise punktvalgusallika kiirgavatele kiirtele. Geomeetrilise optika seisukohalt lähtub lähtepunktist palju kiiri radiaalsuunas. Valguse elektromagnetilise olemuse asukohast levib lähtepunktist sfääriline elektromagnetlaine. Piisavalt suurel kaugusel allikast võib lainefrondi kumerust tähelepanuta jätta, arvestades lokaalselt kerakujulist lainet tasaseks. Jagades lainefrondi pinna suureks hulgaks lokaalselt tasaseks lõikudeks, on võimalik iga lõigu keskpunktist läbi tõmmata normaal, mida mööda levib tasapinnaline laine, s.t. geomeetrilis-optilises tõlgenduskiires. Seega annavad mõlemad lähenemisviisid vaadeldava näite kirjelduse sama.
Geomeetrilise optika põhiülesanne on leida kiire suund (trajektoor). Trajektoori võrrand leitakse pärast variatsiooniülesande lahendamist miinimumi leidmise nn. toimingud soovitud trajektooridel. Laskumata selle probleemi range sõnastuse ja lahenduse üksikasjadesse, võime eeldada, et kiired on lühima optilise kogupikkusega trajektoorid. See väide on Fermat' põhimõtte tagajärg.
Kiirte trajektoori määramise variatsioonilist lähenemist saab rakendada ka mittehomogeense keskkonna puhul, s.t. sellised keskkonnad, mille murdumisnäitaja on funktsioon keskkonna punktide koordinaatidest. Kui kirjeldada funktsiooniga lainefrondi pinna kuju ebahomogeenses keskkonnas, siis on see leitav osadiferentsiaalvõrrandi lahenduse põhjal, mida tuntakse eikonaalvõrrandina ja analüütilises mehaanikas kui Hamilton-Jacobi. võrrand:
Seega koosneb elektromagnetiteooria geomeetrilis-optilise lähenduse matemaatiline alus erinevatest meetoditest kiirte elektromagnetlainete väljade määramiseks, mis põhinevad eikonaalvõrrandil või mõnel muul viisil. Geomeetrilis-optilist lähendust kasutatakse praktikas laialdaselt raadioelektroonikas, et arvutada nn. kvaasioptilised süsteemid.
Kokkuvõtteks märgime, et võime kirjeldada valgust üheaegselt nii lainepositsioonidest Maxwelli võrrandeid lahendades kui ka kiirte abil, mille suund määratakse osakeste liikumist kirjeldavatest Hamiltoni-Jacobi võrranditest, on üks näilise ilmingutest. valguse dualism, mis teatavasti viis kvantmehaanika loogiliselt vastuoluliste põhimõtete sõnastamiseni.
Tegelikult pole elektromagnetlainete olemuses dualismi. Nagu Max Planck 1900. aastal oma klassikalises töös "Kiirguse normaalspektrist" näitas, on elektromagnetlained individuaalsed kvantiseeritud võnkumised sagedusega. v ja energiat E=hv, Kus h =konst, õhus. Viimane on ülivedel keskkond, millel on stabiilne mõõte katkestuse omadus h- Planck on konstantne. Kui eeter puutub kokku ületava energiaga hv Kiirguse käigus moodustub kvantiseeritud "pööris". Täpselt sama nähtust täheldatakse kõigis ülivedelikes keskkondades ja nendes fonoonide - helikiirguse kvantite - teke.
Max Plancki 1900. aasta avastuse ja Heinrich Hertzi 1887. aastal avastatud fotoelektrilise efekti "kopeerimise ja kleepimise" kombinatsiooni eest andis Nobeli komitee 1921. aastal preemia Albert Einsteinile.
1) Oktaav on definitsiooni järgi sagedusvahemik suvalise sageduse w ja selle teise harmoonilise vahel, mis võrdub 2w.
2. Relativismis on "valgus" müütiline nähtus omaette, mitte füüsiline laine, mis on teatud füüsilise meediumi häire. Relativistlik "valgus" on põnevus eimillegist. Sellel puudub vibratsiooni kandja.
3. Relativismis on võimalikud manipulatsioonid ajaga (aeglustumine), mistõttu rikutakse põhjuslikkuse ja range loogika printsiipi, mis on iga teaduse jaoks fundamentaalsed. Relativismis valguse kiirusel aeg peatub (seetõttu on absurdne rääkida footoni sagedusest). Relativismis on selline mõistusevastane vägivald võimalik, näiteks väide alavalguse kiirusega liikuvate kaksikute vanuse vastastikusest liialdamisest ja muu igale religioonile omane loogika mõnitamine.
