), descriind câmpul electromagnetic, a arătat teoretic că câmpul 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, care în vid este egală cu viteza luminii: Cu= 299792458±1,2 m/s. Coincidența vitezei de propagare a undelor electromagnetice în vid cu viteza luminii măsurată anterior a permis lui Maxwell să concluzioneze că lumina sunt unde electromagnetice. O concluzie similară a stat mai târziu la baza teoriei electromagnetice a luminii.
În 1888, teoria undelor electromagnetice a primit confirmare experimentală în experimentele lui G. Hertz. Folosind o sursă de înaltă tensiune și vibratoare (vezi vibrator Hertz), Hertz a reușit să efectueze experimente subtile pentru a determina viteza de propagare a undei electromagnetice și lungimea acesteia. S-a confirmat experimental că viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu viteza luminii, ceea ce a dovedit natura electromagnetică a luminii.
Descoperirea undelor electromagnetice - exemplu minunat interacțiunea dintre experiment și teorie. Arată cum fizica a unit proprietăți aparent complet disparate - electricitatea și magnetismul - prin descoperirea în ele a diferitelor aspecte ale aceluiași fenomen fizic - interacțiunea electromagnetică. Astăzi este una dintre cele patru interacțiuni fizice fundamentale cunoscute, care includ și forțele nucleare puternice și slabe și gravitația. A fost deja construită o teorie a interacțiunii electroslabe, care descrie interacțiunile electromagnetice și slabe dintr-un punct de vedere unificat. forte nucleare. Există, de asemenea, următoarea teorie unificatoare - cromodinamica cuantică - care acoperă interacțiunile electroslabe și puternice, dar precizia ei este oarecum mai mică. Descrie Toate interacțiuni fundamentale Nu a fost încă posibil să se obțină o poziție unificată, deși se desfășoară cercetări intense în această direcție în cadrul unor domenii ale fizicii precum teoria corzilor și gravitația cuantică.
Undele electromagnetice au fost prezise teoretic de marele fizician englez James Clerk Maxwell (probabil pentru prima dată în 1862 în On Physical Lines of Force, deși descriere detaliata teorie a fost publicată în 1867). El a încercat cu sârguință și cu mult respect să traducă într-un limbaj matematic strict imaginile oarecum naive ale lui Michael Faraday, care descriu fenomene electrice și magnetice, precum și rezultatele altor oameni de știință. După ce a ordonat toate fenomenele electrice și magnetice în același mod, Maxwell a descoperit o serie de contradicții și o lipsă de simetrie. Conform legii lui Faraday, câmpurile magnetice alternative generează câmpuri electrice. Dar nu se știa dacă câmpurile electrice alternative generează câmpuri magnetice. Maxwell a reușit să scape de contradicție și să restabilească simetria câmpurilor electrice și magnetice prin introducerea unui termen suplimentar în ecuații, care descria apariția unui câmp magnetic atunci când câmpul electric se modifică. Până atunci, datorită experimentelor lui Oersted, se știa deja că DC. creează un câmp magnetic constant în jurul conductorului. Noul termen descrie o sursă diferită a câmpului magnetic, dar ar putea fi considerat un fel de imaginar electricitate, pe care Maxwell l-a sunat curent de deplasare, pentru a-l deosebi de curentul obișnuit în conductori și electroliți - curent de conducere. Ca rezultat, s-a dovedit că câmpurile magnetice alternative generează câmpuri electrice, iar câmpurile electrice alternative generează câmpuri magnetice. Și atunci Maxwell și-a dat seama că într-o astfel de combinație, câmpurile electrice și magnetice oscilante se pot rupe de conductorii care le generează și se pot deplasa prin vid cu o anumită, dar foarte mare viteză. El a calculat această viteză și s-a dovedit a fi de aproximativ trei sute de mii de kilometri pe secundă.
Șocat de rezultat, Maxwell i-a scris lui William Thomson (Lord Kelvin, care, în special, a introdus scara absolută a temperaturii): „Viteza oscilațiilor undelor transversale în mediul nostru ipotetic, calculată din experimentele electromagnetice ale lui Kohlrausch și Weber, coincide astfel. exact cu viteza luminii calculată din experimentele optice ale lui Fizeau, că cu greu putem refuza concluzia că lumina este formată din vibrații transversale ale aceluiași mediu care provoacă fenomene electrice și magnetice" Și mai departe în scrisoare: „Mi-am primit ecuațiile în timp ce locuiam în provincii și fără a bănui apropierea vitezei de propagare a efectelor magnetice pe care am găsit-o față de viteza luminii, așa că cred că am toate motivele să iau în considerare viteza magnetică și medii luminifere ca același mediu..."
Ecuațiile lui Maxwell depășesc cu mult domeniul de aplicare al unui curs de fizică școlar, dar sunt atât de frumoase și laconice încât ar trebui plasate într-un loc proeminent într-o clasă de fizică, deoarece majoritatea fenomenelor naturale care sunt semnificative pentru oameni pot fi descrise doar cu câteva liniile acestor ecuații. Acesta este modul în care informațiile sunt comprimate atunci când sunt combinate fapte anterior eterogene. Iată un tip de ecuații lui Maxwell în reprezentare diferențială. Admiră-l.
Aș dori să subliniez că calculele lui Maxwell au avut o consecință descurajatoare: oscilațiile câmpurilor electrice și magnetice sunt transversale (pe care el însuși le-a subliniat tot timpul). Și vibrațiile transversale se propagă numai în solide, dar nu în lichide și gaze. Până în acel moment, s-a măsurat în mod fiabil că viteza vibrațiilor transversale în solide (pur și simplu viteza sunetului) este mai mare, cu atât mai greu, aproximativ vorbind, mediul (cu cât modulul Young este mai mare și densitatea mai mică) și poate atinge mai multe kilometri pe secundă. Viteza undei electromagnetice transversale a fost de aproape o sută de mii de ori mai mare decât viteza sunetului în solide. Și trebuie remarcat faptul că caracteristica de rigiditate este inclusă în ecuația pentru viteza sunetului într-un corp solid sub rădăcină. S-a dovedit că mediul prin care circulă undele electromagnetice (și lumina) are caracteristici de elasticitate monstruoase. A apărut o întrebare extrem de dificilă: „Cum se mișcă alte corpuri printr-un mediu atât de solid și nu îl simt?” Mediul ipotetic a fost numit eter, atribuindu-i atât proprietăți ciudate, cât și, în general, care se exclud reciproc - elasticitate enormă și ușurință extraordinară.
Lucrările lui Maxwell au provocat șoc în rândul oamenilor de știință contemporani. Faraday însuși a scris cu surprindere: „La început chiar m-am speriat când am văzut o asemenea forță matematică aplicată întrebării, dar apoi am fost surprins să văd că întrebarea a rezistat atât de bine.” În ciuda faptului că punctele de vedere ale lui Maxwell au răsturnat toate ideile cunoscute atunci despre propagarea undelor transversale și despre unde în general, oamenii de știință cu multă vedere au înțeles că coincidența vitezei luminii și a undelor electromagnetice a fost un rezultat fundamental, ceea ce a indicat că aici aștepta un progres major fizicii.
Din păcate, Maxwell a murit devreme și nu a trăit pentru a vedea o confirmare experimentală sigură a calculelor sale. Opinia științifică internațională s-a schimbat ca urmare a experimentelor lui Heinrich Hertz, care 20 de ani mai târziu (1886–89) a demonstrat generarea și recepția undelor electromagnetice într-o serie de experimente. Hertz nu numai că a obținut rezultatul corect în tăcerea laboratorului, dar a apărat cu pasiune și fără compromisuri opiniile lui Maxwell. Mai mult, nu s-a limitat la demonstrarea experimentală a existenței undelor electromagnetice, ci a studiat și proprietățile lor de bază (reflexia din oglinzi, refracția în prisme, difracția, interferența etc.), arătând identitatea completă a undelor electromagnetice cu lumina.
Este curios că cu șapte ani înainte de Hertz, în 1879, fizicianul englez David Edward Hughes (Hughes - D. E. Hughes) a demonstrat și altor oameni de știință de seamă (printre ei s-a numărat și genialul fizician și matematician Georg-Gabriel Stokes) efectul propagării. a undelor electromagnetice din aer. În urma discuțiilor, oamenii de știință au ajuns la concluzia că văd fenomenul inducției electromagnetice Faraday. Hughes a fost supărat, nu s-a crezut și a publicat rezultatele abia în 1899, când teoria Maxwell-Hertz a devenit general acceptată. Acest exemplu sugerează că în știință, diseminarea și propaganda persistentă a rezultatelor obținute nu sunt adesea mai puțin importante decât rezultatul științific în sine.
Heinrich Hertz a rezumat rezultatele experimentelor sale: „Experimentele descrise, cel puțin mi se pare, elimină îndoielile cu privire la identitatea luminii, Radiație termalași mișcarea undelor electrodinamice”.
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 influențe (fiziologice, fotochimice, fotoelectrice etc.) sunt cauzate de oscilațiile vectorului 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 undelor electromagnetice, suferind o modificare a frecvenței oscilațiilor sarcinii, modifică lungimea de undă și capătă proprietăți diferite. O persoană este literalmente înconjurată de dispozitive care emit și primesc unde electromagnetice. Acestea sunt telefoane mobile, radio, televiziune, aparate cu raze X din instituțiile medicale etc. Chiar și corpul uman are un câmp electromagnetic și, foarte interesant, fiecare organ are propria frecvență de radiație. Răspândirea particulelor încărcate emise se influențează reciproc, provocând o schimbare a frecvenței vibrațiilor și a producției de energie, care poate fi folosită atât în scopuri creative, cât și distructive.
Radiatie electromagnetica. Informații generale
Radiația electromagnetică este o modificare a stării și intensității propagării oscilațiilor electromagnetice cauzate de interacțiunea câmpurilor electrice și magnetice.
Un studiu aprofundat al proprietăților caracteristice radiațiilor electromagnetice este realizat de:
- electrodinamică;
- optica;
- radiofizica.
Emisia de unde electromagnetice este creată și propagată prin oscilația sarcinilor, în procesul cărora este eliberată energie. Au un model de propagare similar undelor mecanice. Mișcarea sarcinilor este caracterizată de accelerație - viteza acestora se modifică în timp, ceea ce este o condiție fundamentală pentru emisia undelor electromagnetice. Puterea undei este direct legată de forța de accelerație și este direct proporțională cu aceasta.
Indicatori care determina caracteristici radiatie electromagnetica:
- frecvența de vibrație a particulelor încărcate;
- lungimea de undă a fluxului emis;
- polarizare.
Câmpul electric care este cel mai apropiat de sarcina supusă vibrațiilor suferă modificări. Perioada de timp petrecută pentru aceste modificări va fi egală cu perioada de timp a oscilațiilor de încărcare. Mișcarea unei sarcini poate fi comparată cu oscilațiile unui corp suspendat pe un arc, singura diferență este frecvența mișcării.
Conceptul de „radiație” se referă la câmpurile electromagnetice care se repezi cât mai departe de sursa de origine și își pierd din intensitate odată cu creșterea distanței, formând o undă.
Propagarea undelor electromagnetice
Lucrările lui Maxwell și legile electromagnetismului pe care le-a descoperit fac posibilă extragerea mult mai multe informații decât ne pot oferi faptele pe care se bazează cercetarea. De exemplu, una dintre concluziile bazate pe legile electromagnetismului este concluzia că interacțiunea electromagnetică are o viteză finită de propagare.
Dacă urmărim teoria acțiunii la distanță lungă, constatăm că forța care afectează incarcare electrica, care se află într-o stare staționară, își modifică performanța atunci când se schimbă locația sarcinii vecine. Potrivit acestei teorii, încărcătura literalmente „simte” prin vid prezența propriului fel și preia instantaneu acțiunea.
Conceptele formate de acțiune pe distanță scurtă au o viziune complet diferită asupra a ceea ce se întâmplă. Încărcarea, atunci când se mișcă, are un câmp electric alternativ, care, la rândul său, contribuie la apariția unui câmp magnetic alternativ în spațiul apropiat. După care câmpul magnetic alternativ provoacă apariția unuia electric și așa mai departe în lanț.
Astfel, apare o „perturbare” a câmpului electromagnetic, cauzată de o schimbare a locației sarcinii în spațiu. Se răspândește și, ca urmare, afectează câmp existent, schimbându-l. Ajunsă la sarcina vecină, „perturbarea” face modificări în indicatorii forței care acționează asupra acesteia. Acest lucru se întâmplă la ceva timp după deplasarea primei încărcări.
Maxwell a fost interesat cu pasiune de principiul propagării undelor electromagnetice. Timpul și efortul petrecut au fost în cele din urmă încununate de succes. El a dovedit existența unei viteze finite a acestui proces și a dat o justificare matematică pentru aceasta.
Realitatea existenței câmpului electromagnetic este confirmată de prezența unei viteze finite de „perturbare” și corespunde vitezei luminii în spațiul lipsit de atomi (vid).
Scala de radiații electromagnetice
Universul este plin de câmpuri electromagnetice cu diferite game de radiații și lungimi de undă radical diferite, care pot varia de la câteva zeci de kilometri până la o fracțiune nesemnificativă de centimetru. Ele fac posibilă obținerea de informații despre obiecte situate la distanțe enorme de Pământ.
Pe baza afirmației lui James Maxwell despre diferența în lungimea undelor electromagnetice, a fost dezvoltată o scară specială care conține o clasificare a intervalelor de frecvențe existente și lungimi de radiație care formează un câmp magnetic alternativ în spațiu.
În munca lor, G. Hertz și P. N. Lebedev au dovedit experimental corectitudinea afirmațiilor lui Maxwell și au fundamentat faptul că radiația luminoasă este unde ale unui câmp electromagnetic, caracterizate de o lungime scurtă, care sunt formate prin vibrația naturală a atomilor și moleculelor.
Nu există tranziții ascuțite între intervale, dar nici nu au granițe clare. Indiferent de frecvența radiației, toate punctele de pe scară descriu unde electromagnetice care apar datorită modificărilor poziției particulelor încărcate. Proprietățile sarcinilor sunt influențate de lungimea de undă. Când indicatorii săi se schimbă, abilitățile reflectorizante, de penetrare, nivelul de vizibilitate etc. se schimbă.
Trăsăturile caracteristice ale undelor electromagnetice le oferă posibilitatea de a se propaga liber atât în vid, cât și în spațiul plin cu materie. Trebuie remarcat faptul că, mișcându-se în spațiu, radiațiile își schimbă comportamentul. În gol, viteza de propagare a radiației nu se modifică, deoarece frecvența oscilațiilor este strict legată de lungimea de undă.
Unde electromagnetice de diferite game și proprietățile lor
Undele electromagnetice includ:
- Unde de joasă frecvență. Caracterizat printr-o frecvență de oscilație de cel mult 100 kHz. Acest interval este folosit pentru a funcționa Dispozitive electriceși motoare, de exemplu, microfon sau difuzor, rețele de telefonie, precum și în domeniul radiodifuziunii, industriei filmului etc. Undele de joasă frecvență diferă de cele care au o frecvență de oscilație mai mare, scăderea efectivă a vitezei de propagare este proporțională la rădăcină pătrată frecvențele lor. Lodge și Tesla au avut o contribuție semnificativă la descoperirea și studiul undelor de joasă frecvență.
- Unde radio. Descoperirea undelor radio de către Hertz în 1886 a oferit lumii posibilitatea de a transmite informații fără a utiliza fire. Lungimea undei radio afectează natura propagării acesteia. Ele, ca și frecvențele undelor sonore, apar din cauza curentului alternativ (în procesul de comunicare radio, curentul alternativ curge în receptor - antenă). Undele radio de înaltă frecvență contribuie la emisia semnificativă de unde radio în spațiul înconjurător, ceea ce oferă o oportunitate unică de a transmite informații pe distanțe mari (radio, televiziune). Acest tip de radiație cu microunde este folosit pentru comunicare în spațiu, precum și în viața de zi cu zi. De exemplu, un cuptor cu microunde care emite unde radio a devenit un bun asistent pentru gospodine.
- Radiația infraroșie (numită și „termică”). Conform clasificării scalei de radiații electromagnetice, regiunea de propagare a radiației infraroșii este situată după undele radio și înaintea luminii vizibile. Undele infraroșii sunt emise de toate corpurile care emit căldură. Exemple de surse de astfel de radiații sunt sobele, bateriile utilizate pentru încălzire pe baza transferului de căldură din apă și lămpile cu incandescență. Până în prezent, dezvoltat dispozitive speciale, care vă permit să vedeți obiecte din care emană căldură în întuneric complet. Șerpii au astfel de senzori naturali de recunoaștere a căldurii în zona ochilor. Acest lucru le permite să urmărească prada și să vâneze noaptea. O persoană folosește radiația infraroșie, de exemplu, pentru a încălzi clădiri, pentru a usca legume și lemn, în domeniul afacerilor militare (de exemplu, dispozitive de vedere pe timp de noapte sau camere termice), pentru a controla fără fir un centru audio sau un televizor și alte dispozitive folosind un telecomandă.
- Lumina vizibila. Are un spectru de lumină de la roșu la violet și este percepută de ochiul uman, care este principalul trăsătură distinctivă. Culoarea emisă la diferite lungimi de undă are un efect electrochimic asupra sistemului de percepție vizuală umană, dar nu este inclusă în proprietățile undelor electromagnetice din acest interval.
- Radiația ultravioletă. Nu este detectat de ochiul uman și are o lungime de undă mai scurtă decât cea a luminii violete. În doze mici, razele ultraviolete provoacă efect de vindecare, promovează producția de vitamina D, au efect bactericid și au un efect pozitiv asupra centrală sistem nervos. Saturația excesivă a mediului cu raze ultraviolete duce la deteriorare pieleși afectarea retinei, motiv pentru care medicii oftalmologi recomandă folosirea ochelarilor de soare în lunile de vară. Radiațiile ultraviolete sunt folosite în medicină (razele ultraviolete sunt folosite pentru lămpi de cuarț), pentru a verifica autenticitatea bancnotelor, în scop de divertisment la discoteci (un astfel de iluminat face să strălucească materialele deschise la culoare), precum și pentru a determina caracterul adecvat al produselor alimentare.
- radiații cu raze X. Astfel de valuri sunt invizibile pentru ochiul uman. Au proprietatea uimitoare de a pătrunde prin straturi de materie, evitând absorbția puternică, care este inaccesibilă razelor de lumină vizibile. Radiațiile provoacă strălucirea anumitor tipuri de cristale și afectează filmul fotografic. Folosit în domeniul medical pentru a diagnostica boli organe interne iar pentru tratamentul unei anumite liste de boli, pentru testare structura interna produse pentru defecte, precum și suduri în echipamente.
- Radiația gamma. Radiația electromagnetică cu cea mai scurtă lungime de undă emisă de nucleele unui atom. Reducerea lungimii de undă duce la modificări ale indicatorilor de calitate. Radiația gamma are o putere de penetrare de multe ori mai mare decât razele X. Poate trece prin perete de beton grosime de un metru și chiar prin bariere de plumb grosime de câțiva centimetri. În timpul dezintegrarii substanțelor sau unificării, are loc o eliberare elemente constitutive atom, care se numește radiație. Astfel de valuri sunt clasificate ca radiatii radioactive. Când un focos nuclear explodează, se generează un câmp electromagnetic pentru o perioadă scurtă de timp, care este produsul reacției dintre razele gamma și neutroni. Este, de asemenea, elementul principal arme nucleare, care are un efect dăunător, blochează sau întrerupe complet funcționarea electronicelor radio, a comunicațiilor prin cablu și a sistemelor de alimentare cu energie. De asemenea, atunci când o armă nucleară explodează, se eliberează multă energie.
concluzii
Undele unui câmp electromagnetic, având o anumită lungime și aflate într-un anumit interval de fluctuații, le pot avea pe ambele influență pozitivă asupra corpului uman şi a nivelului său de adaptare la mediu inconjurator, datorită dezvoltării auxiliare electrocasnice, precum și efecte negative și chiar distructive asupra sănătății umane și asupra mediului.
Undele electromagnetice sunt clasificate după lungimea de undă λ sau frecvența de undă asociată f. De asemenea, rețineți că acești parametri caracterizează nu numai unda, ci și proprietățile cuantice ale câmpului electromagnetic. În consecință, în primul caz, unda electromagnetică este descrisă de legile clasice studiate în acest curs.
Să luăm în considerare conceptul de spectru al undelor electromagnetice. Spectrul undelor electromagnetice este banda de frecvență a undelor electromagnetice care există în natură.
Spectrul de radiații electromagnetice în ordinea creșterii frecvenței este:
Diferite părți ale spectrului electromagnetic diferă prin modul în care emit și primesc unde aparținând uneia sau alteia părți a spectrului. Din acest motiv, nu există granițe clare între diferitele părți ale spectrului electromagnetic, dar fiecare interval este determinat de propriile caracteristici și de prevalența legilor sale, determinate de relațiile scalelor liniare.
Undele radio sunt studiate prin electrodinamica clasică. Lumina infraroșie și radiația ultravioletă sunt studiate atât de optică clasică, cât și de fizica cuantică. Radiațiile X și radiațiile gamma sunt studiate în fizica cuantică și nucleară.
Să luăm în considerare mai detaliat spectrul undelor electromagnetice.
Unde de joasă frecvență
Undele de joasă frecvență sunt unde electromagnetice a căror frecvență de oscilație nu depășește 100 kHz). Acest interval de frecvență este folosit în mod tradițional în inginerie electrică. În ingineria energetică industrială, se utilizează o frecvență de 50 Hz, la care energia electrică este transmisă prin linii și tensiunea este convertită de dispozitivele transformatoare. În aviație și transport terestru, 400 Hz este adesea folosit, ceea ce oferă avantaje de greutate mașini electrice si transformatoare de 8 ori fata de frecventa de 50 Hz. Cele mai recente generații de surse de alimentare în comutație folosesc frecvențe de transformare curent alternativ unități și zeci de kHz, ceea ce le face compacte și bogate în energie.
Diferența fundamentală dintre intervalul de frecvență joasă și frecvențele mai mari este scăderea vitezei undelor electromagnetice proporțional cu rădăcina pătrată a frecvenței lor de la 300 mii km/s la 100 kHz la aproximativ 7 mii km/s la 50 Hz.
Unde radio
Undele radio sunt unde electromagnetice ale căror lungimi de undă sunt mai mari de 1 mm (frecvență mai mică de 3 10 11 Hz = 300 GHz) și mai mici de 3 km (peste 100 kHz).
Undele radio sunt împărțite în:
1. Unde lungi în lungime de la 3 km la 300 m (frecvență în intervalul 10 5 Hz - 10 6 Hz = 1 MHz);
2. Unde medii în lungime de la 300 m la 100 m (frecvență în intervalul 10 6 Hz -3*10 6 Hz = 3 MHz);
3. Unde scurte în intervalul de lungime de undă de la 100m la 10m (frecvența în intervalul 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz);
4. Unde ultrascurte cu o lungime de undă mai mică de 10m (frecvență mai mare de 310 7 Hz = 30 MHz).
Undele ultrascurte, la rândul lor, sunt împărțite în:
A) unde metrice;
B) unde centimetrice;
B) unde milimetrice;
Undele cu o lungime de undă mai mică de 1 m (frecvență mai mică de 300 MHz) se numesc microunde sau unde de ultra-înaltă frecvență (unde cu microunde).
Datorită lungimilor de undă mari ale domeniului radio în comparație cu dimensiunea atomilor, propagarea undelor radio poate fi luată în considerare fără a ține cont de structura atomică a mediului, adică. fenomenologic, așa cum se obișnuiește atunci când se construiește teoria lui Maxwell. Proprietățile cuantice ale undelor radio apar numai pentru cele mai scurte unde adiacente părții infraroșii a spectrului și în timpul propagării așa-numitului. impulsuri ultrascurte cu o durată de ordinul 10 -12 sec - 10 -15 sec, comparabilă cu timpul oscilațiilor electronice în interiorul atomilor și moleculelor.
Diferența fundamentală dintre undele radio și frecvențele mai mari este o relație termodinamică diferită între lungimea de undă a purtătorului de undă (eter), egală cu 1 mm (2,7°K), și unda electromagnetică care se propagă în acest mediu.
Efectele biologice ale radiațiilor unde radio
Teribila experiență de sacrificiu a utilizării radiațiilor puternice de unde radio în tehnologia radar a arătat efectul specific al undelor radio în funcție de lungimea de undă (frecvența).
Pe corpul uman Efectul distructiv este exercitat nu atât de puterea medie, cât de puterea de radiație de vârf, la care apar fenomene ireversibile în structurile proteinelor. De exemplu, puterea radiației continue de la magnetronul unui cuptor cu microunde (cuptor cu microunde), în valoare de 1 kW, afectează numai alimentele dintr-un volum mic închis (protejat) al cuptorului și este aproape sigură pentru o persoană din apropiere. Puterea unei stații radar (radar) de 1 kW de putere medie emisă de impulsuri scurte cu un ciclu de lucru de 1000:1 (raportul dintre perioada de repetiție și durata impulsului) și, în consecință, o putere a impulsului de 1 MW, este foarte periculos pentru sănătatea și viața umană la o distanță de până la sute de metri de emițător. În aceasta din urmă, desigur, direcția radiației radar joacă, de asemenea, un rol, care subliniază efectul distructiv al puterii pulsate, mai degrabă decât medie.
Expunerea la unde de măsurare
Unde de contor de mare intensitate emise de generatoarele de impulsuri ale stațiilor radar de contor (radare) cu o putere a impulsului mai mare de un megawatt (cum ar fi stația de avertizare timpurie P-16) și proporționale cu lungimea măduvei spinării oamenilor și animalelor; precum și lungimea axonilor, perturbă conductivitatea acestor structuri, provocând sindromul diencefalic (boala HF). Acesta din urmă duce la dezvoltarea rapidă (pe o perioadă de la câteva luni până la câțiva ani) a paraliziei complete sau parțiale (în funcție de doza de puls de radiație primită) ireversibilă a membrelor unei persoane, precum și întreruperea inervației intestinelor și alte organe interne.
Impactul undelor decimetrice
Undele decimetrice sunt comparabile ca lungime de undă cu vasele de sânge, acoperind astfel de organe umane și animale precum plămânii, ficatul și rinichii. Acesta este unul dintre motivele pentru care provoacă dezvoltarea unor tumori „benigne” (chisturi) în aceste organe. Dezvoltându-se pe suprafața vaselor de sânge, aceste tumori duc la încetarea circulației normale a sângelui și la perturbarea funcției organelor. Dacă astfel de tumori nu sunt îndepărtate chirurgical la timp, apare moartea corpului. Unde decimetrice cu niveluri de intensitate periculoase sunt emise de magnetronii unor radare precum radarul mobil de apărare antiaeriană P-15, precum și de radarul unor aeronave.
Expunerea la unde centimetrice
Undele centimetrice puternice provoacă boli precum leucemia - „sânge alb”, precum și alte forme de tumori maligne la oameni și animale. Valurile de intensitate suficientă pentru apariția acestor boli sunt generate de radarele cu rază centimetrică P-35, P-37 și aproape toate radarele aeronavelor.
Radiații infraroșii, luminoase și ultraviolete
Infrarosu, lumina, ultravioleta radiatia se ridica la regiunea optică a spectrului undelor electromagneticeîn sensul larg al cuvântului. Acest spectru ocupă domeniul de lungimi de undă electromagnetice în intervalul de la 2·10 -6 m = 2 μm la 10 -8 m = 10 nm (frecvență de la 1,5·10 14 Hz la 3·10 16 Hz). Limita superioară a domeniului optic este determinată de limita de undă lungă a domeniului infraroșu, iar limita inferioară de limita de undă scurtă a ultravioletului (Fig. 2.14).
Apropierea regiunilor spectrale ale undelor enumerate a determinat asemănarea metodelor și instrumentelor folosite pentru a le studia și aplicație practică. Din punct de vedere istoric, în aceste scopuri au fost folosite lentile, rețele de difracție, prisme, diafragme și substanțe optic active incluse în diferite dispozitive optice (interferometre, polarizatoare, modulatoare etc.).
Pe de altă parte, radiația din regiunea optică a spectrului are modele generale de transmisie a diferitelor medii, care pot fi obținute folosind optica geometrică, utilizată pe scară largă pentru calcule și construcție atât a dispozitivelor optice, cât și a canalelor de propagare a semnalului optic. Radiația infraroșie este vizibile pentru multe artropode (insecte, păianjeni etc.) și reptile (șerpi, șopârle etc.) , accesibil senzorilor semiconductori (matrice foto în infraroșu), dar nu este transmis de grosimea atmosferei Pământului, care nu permite observați de pe suprafața Pământului stele în infraroșu - „pitici maro”, care reprezintă mai mult de 90% din toate stelele din galaxie.
Lățimea de frecvență a domeniului optic este de aproximativ 18 octave, dintre care intervalul optic reprezintă aproximativ o octavă (); pentru ultraviolete - 5 octave ( 
), radiație infraroșie - 11 octave (
În partea optică a spectrului, fenomenele cauzate de structura atomică a materiei devin semnificative. Din acest motiv, alături de proprietățile undei ale radiației optice, apar și proprietățile cuantice.
Ușoară
|
Lumină, lumină, radiatii vizibile- partea spectrului optic al radiațiilor electromagnetice vizibilă pentru ochii oamenilor și primatelor, ocupă domeniul de lungimi de undă electromagnetică în intervalul de la 400 nanometri la 780 nanometri, adică mai puțin de o octava - o schimbare de două ori a frecvenței.
Orez. 1.14. Scara undelor electromagnetice Meme de memorie verbală de ordinul culorilor din spectrul luminii: |
Raze X și radiații gamma
În domeniul razelor X și al radiațiilor gamma, proprietățile cuantice ale radiației ies în prim-plan.
radiații cu raze X apare atunci când particulele încărcate rapid (electroni, protoni etc.) sunt decelerate, precum și ca rezultat al proceselor care au loc în interiorul învelișurilor electronice ale atomilor.
Radiația gamma este o consecință a fenomenelor care au loc în interiorul nucleelor atomice, precum și ca rezultat al reacțiilor nucleare. Limita dintre razele X și radiațiile gamma este determinată în mod convențional de valoarea cuantumului de energie corespunzătoare unei frecvențe date de radiație.
Radiația de raze X este formată din unde electromagnetice cu o lungime de la 50 nm la 10 -3 nm, ceea ce corespunde unei energii cuantice de la 20 eV la 1 MeV.
Radiația gamma este formată din unde electromagnetice cu o lungime de undă mai mică de 10 -2 nm, ceea ce corespunde unei energii cuantice mai mare de 0,1 MeV.
Natura electromagnetică a luminii
Lumina este partea vizibilă a spectrului undelor electromagnetice, ale căror lungimi de undă ocupă intervalul de la 0,4 µm la 0,76 µm. Fiecare componentă spectrală a radiației optice poate fi atribuită culoare specifică. Culoarea componentelor spectrale ale radiației optice este determinată de lungimea de undă a acestora. Culoarea radiației se modifică pe măsură ce lungimea de undă scade astfel: roșu, portocaliu, galben, verde, cyan, indigo, violet.
Lumină roșie corespunzătoare lungimea cea mai mare unde, determină limita roșie a spectrului. Lumina violetă - corespunde marginii violete.
Lumina naturală (lumina zilei, lumina soarelui) nu este colorată și reprezintă o suprapunere a undelor electromagnetice din orice vizibilă pentru oameni spectru Lumina naturală apare ca urmare a emisiei de unde electromagnetice de către atomii excitați. Natura excitației poate fi diferită: termică, chimică, electromagnetică etc. Ca urmare a excitației, atomii emit aleatoriu unde electromagnetice timp de aproximativ 10 -8 secunde. Deoarece spectrul energetic al excitației atomilor este destul de larg, unde electromagnetice sunt emise din întregul spectru vizibil, a căror fază inițială, direcție și polarizare sunt aleatorii. Din acest motiv, lumina naturală nu este polarizată. Aceasta înseamnă că „densitatea” componentelor spectrale ale undelor electromagnetice ale luminii naturale care au polarizări reciproc perpendiculare este aceeași.
Se numesc unde electromagnetice armonice din domeniul luminii monocromatic. Pentru o undă de lumină monocromatică, una dintre caracteristicile principale este intensitatea. Intensitatea undei luminoase reprezintă valoarea medie a densității fluxului de energie (1.25) transferată de val:
Unde este vectorul Poynting.
Calculând intensitatea unei unde luminoase, plane, monocromatice cu amplitudinea câmpului electric într-un mediu omogen cu permeabilitate dielectrică și magnetică utilizând formula (1.35), luând în considerare (1.30) și (1.32), rezultă:
În mod tradițional, fenomenele optice sunt considerate folosind raze. Se numește descrierea fenomenelor optice folosind raze geometric-optic. Regulile de găsire a traiectoriilor de raze, dezvoltate în optica geometrică, sunt utilizate pe scară largă în practică pentru analiza fenomenelor optice și în construcția diferitelor instrumente optice.
Să definim o rază pe baza reprezentării electromagnetice a undelor luminoase. În primul rând, razele sunt linii de-a lungul cărora se propagă undele electromagnetice. Din acest motiv, o rază este o linie, în fiecare punct în care vectorul Poynting mediu al unei unde electromagnetice este direcționat tangențial la această linie.
În mediile izotrope omogene, direcția vectorului Poynting mediu coincide cu normala la suprafața undei (suprafața echifazică), adică. de-a lungul vectorului valului.
Astfel, în medii izotrope omogene, razele sunt perpendiculare pe frontul de undă corespunzător undei electromagnetice.
De exemplu, luați în considerare razele emise de o sursă de lumină monocromatică punctuală. Din punctul de vedere al opticii geometrice, multe raze emană din punctul sursă în direcția radială. Din poziția esenței electromagnetice a luminii, o undă electromagnetică sferică se propagă din punctul sursă. La o distanţă suficient de mare de sursă, curbura frontului de undă poate fi neglijată, considerând unda local sferică plată. Prin împărțirea suprafeței frontului de undă într-un număr mare de secțiuni plane local, este posibil să se tragă o normală prin centrul fiecărei secțiuni, de-a lungul căreia se propagă o undă plană, de exemplu. în rază de interpretare geometric-optică. Astfel, ambele abordări oferă aceeași descriere a exemplului considerat.
Sarcina principală a opticii geometrice este de a găsi direcția fasciculului (traiectorie). Ecuația traiectoriei se găsește după rezolvarea problemei variaționale de găsire a minimului așa-numitului. acţiuni pe traiectorii dorite. Fără a intra în detalii despre formularea strictă și soluția acestei probleme, putem presupune că razele sunt traiectorii cu lungimea optică totală cea mai scurtă. Această afirmație este o consecință a principiului lui Fermat.
Abordarea variațională pentru determinarea traiectoriei razelor poate fi aplicată și la medii neomogene, de ex. astfel de medii în care indicele de refracție este o funcție de coordonatele punctelor mediului. Dacă descriem forma suprafeței unui front de undă într-un mediu neomogen cu o funcție, atunci aceasta poate fi găsită pe baza soluției ecuației diferențiale parțiale, cunoscută sub numele de ecuație eikonal, și în mecanică analitică ca Hamilton-Jacobi ecuaţie:
Astfel, baza matematică a aproximării geometric-optice a teoriei electromagnetice constă în diferite metode de determinare a câmpurilor undelor electromagnetice pe raze, bazate pe ecuația eikonal sau într-un alt mod. Aproximația geometrică-optică este utilizată pe scară largă în practică în electronica radio pentru a calcula așa-numitul. sisteme cvasi-optice.
În concluzie, observăm că abilitatea de a descrie lumina simultan atât din pozițiile undelor prin rezolvarea ecuațiilor lui Maxwell, cât și prin utilizarea razelor, a căror direcție este determinată din ecuațiile Hamilton-Jacobi care descriu mișcarea particulelor, este una dintre manifestările aparentei. dualismul luminii, care, după cum se știe, a condus la formularea unor principii logic contradictorii ale mecanicii cuantice.
De fapt, nu există un dualism în natura undelor electromagnetice. După cum Max Planck a arătat în 1900 în lucrarea sa clasică „On the Normal Spectrum of Radiation”, undele electromagnetice sunt oscilații cuantificate individuale cu o frecvență. v si energie E=hv, Unde h =const, în direct. Acesta din urmă este un mediu superfluid care are o proprietate stabilă de discontinuitate în măsură h- Constanta lui Planck. Când eterul este expus la o energie depășită hvÎn timpul radiației, se formează un „vortex” cuantificat. Exact același fenomen se observă în toate mediile superfluide și formarea de fononi în ele - cuante de radiație sonoră.
Pentru combinația „copy-and-paste” a descoperirii lui Max Planck din 1900 cu efectul fotoelectric descoperit în 1887 de Heinrich Hertz, în 1921, Comitetul Nobel i-a acordat premiul lui Albert Einstein.
1) O octavă, prin definiție, este intervalul de frecvență dintre o frecvență arbitrară w și a doua armonică a acesteia, egală cu 2w.
2. În relativism, „lumina” este un fenomen mitic în sine, și nu o undă fizică, care este perturbarea unui anumit mediu fizic. „Lumina” relativistă este emoția nimicului în nimic. Nu are un mediu purtător pentru vibrații.
3. În relativism, manipulările cu timpul (încetinirea) sunt posibile, de aceea sunt încălcate principiile cauzalității și principiul logicii stricte, fundamental pentru orice știință. În relativism, la viteza luminii, timpul se oprește (prin urmare, este absurd să vorbim despre frecvența fotonului). În relativism, o astfel de violență împotriva minții este posibilă, cum ar fi afirmația despre excesul reciproc al vârstei gemenilor care se mișcă cu viteza subluminii și alte batjocuri de logica inerente oricărei religii.
