), popisujúci elektromagnetické pole, teoreticky ukázal, že elektromagnetické pole vo vákuu môže existovať aj bez zdrojov - nábojov a prúdov. Pole bez zdrojov má tvar vĺn šíriacich sa konečnou rýchlosťou, ktorá sa vo vákuu rovná rýchlosti svetla: s= 299792458 ± 1,2 m/s. Zhoda rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu s predtým nameranou rýchlosťou svetla umožnila Maxwellovi dospieť k záveru, že svetlo je elektromagnetické vlnenie. Tento záver neskôr vytvoril základ elektromagnetickej teórie svetla.
V roku 1888 získala teória elektromagnetických vĺn experimentálne potvrdenie v experimentoch G. Hertza. Pomocou vysokonapäťového zdroja a vibrátorov (pozri Hertzov vibrátor) bol Hertz schopný vykonávať jemné experimenty na určenie rýchlosti šírenia elektromagnetickej vlny a jej dĺžky. Experimentálne sa potvrdilo, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny sa rovná rýchlosti svetla, čo dokazuje elektromagnetickú povahu svetla.
Objav elektromagnetických vĺn - skvelý príklad interakcia experimentu a teórie. Ukazuje, ako fyzika spojila zdanlivo absolútne odlišné vlastnosti – elektrinu a magnetizmus – odhaľujúc v nich rôzne aspekty toho istého fyzikálneho javu – elektromagnetickej interakcie. Dnes je to jedna zo štyroch známych základných fyzikálnych interakcií, ktoré zahŕňajú aj silné a slabé jadrové interakcie a gravitáciu. Už bola vybudovaná teória elektroslabej interakcie, ktorá z jednotného hľadiska popisuje elektromagnetické a slabé jadrové sily... Existuje aj nasledujúca zjednocujúca teória - kvantová chromodynamika - ktorá pokrýva elektroslabé a silné interakcie, ale jej presnosť je o niečo nižšia. Popíšte všetky zásadné interakcie Z jednotnej pozície to zatiaľ nebolo možné, hoci sa v tomto smere intenzívne báda v rámci takých oblastí fyziky, ako je teória strún a kvantová gravitácia.
Elektromagnetické vlny predpovedal teoreticky veľký anglický fyzik James Clark Maxwell (pravdepodobne prvýkrát v roku 1862 v diele „O fyzikálnych siločiarach“, hoci Detailný popis teória vyšla v roku 1867). Usilovne a s veľkým rešpektom sa snažil preložiť do prísnej matematickej reči mierne naivné obrázky Michaela Faradaya popisujúce elektrické a magnetické javy, ako aj výsledky iných vedcov. Keď Maxwell usporiadal všetky elektrické a magnetické javy rovnakým spôsobom, objavil množstvo rozporov a nedostatok symetrie. Podľa Faradayovho zákona striedavé magnetické polia vytvárajú elektrické polia. Nebolo však známe, či sú striedavé elektrické polia magnetické. Maxwellovi sa podarilo zbaviť sa rozporuplnosti a obnoviť symetriu elektrického a magnetického poľa zavedením dodatočného členu do rovníc, ktorý popisoval vznik magnetického poľa pri zmene elektrického poľa. V tom čase, vďaka Oerstedovým experimentom, to už bolo známe D.C. vytvára konštantné magnetické pole okolo vodiča. Nový termín popisoval ďalší zdroj magnetického poľa, ale dalo by sa ho predstaviť ako nejaký imaginárny elektriny ktoré Maxwell zavolal predpätý prúd, na odlíšenie od bežného prúdu vo vodičoch a elektrolytoch - vodivého prúdu. V dôsledku toho sa ukázalo, že striedavé magnetické polia vytvárajú elektrické polia a striedavé elektrické polia - magnetické. A potom si Maxwell uvedomil, že v takomto zväzku sa oscilujúce elektrické a magnetické polia môžu odtrhnúť od vodičov, ktoré ich vytvárajú, a pohybovať sa vo vákuu určitou, ale veľmi vysokou rýchlosťou. Vypočítal túto rýchlosť a ukázalo sa, že je to asi tristotisíc kilometrov za sekundu.
Šokovaný týmto výsledkom, Maxwell píše Williamovi Thomsonovi (Lord Kelvin, ktorý zaviedol najmä absolútnu teplotnú stupnicu): „Rýchlosť oscilácií priečnych vĺn v našom hypotetickom médiu, vypočítaná z elektromagnetických experimentov Kohlrauscha a Webera, tak presne sa zhoduje s rýchlosťou svetla vypočítanou z Fizeauových optických experimentov, takže len ťažko môžeme odmietnuť záver, že svetlo pozostáva z priečnych vibrácií toho istého média, ktoré spôsobuje elektrické a magnetické javy". A ďalej v liste: „Mám svoje rovnice, žijem v provinciách a neviem o blízkosti rýchlosti šírenia magnetických efektov, ktoré som zistil, k rýchlosti svetla, takže si myslím, že mám všetky dôvody na to, aby som magnetické a svetelné médiá ako jedno a to isté médium ... “
Maxwellove rovnice ďaleko presahujú rámec školského kurzu fyziky, ale sú také krásne a lakonické, že by mali byť umiestnené na poprednom mieste v kancelárii fyziky, pretože väčšinu prírodných javov, ktoré sú pre človeka významné, možno opísať pomocou len pár riadkov týchto rovníc. Takto sa komprimujú informácie, keď sa kombinujú predtým odlišné fakty. Tu je jeden z typov Maxwellových rovníc v diferenciálnej reprezentácii. Obdivovať.
Chcel by som zdôrazniť, že z Maxwellových výpočtov vyplynul skľučujúci dôsledok: oscilácie elektrického a magnetického poľa sú priečne (čo on sám vždy zdôrazňoval). A bočné vibrácie sa šíria len v pevné látky ale nie v kvapalinách a plynoch. V tom čase už bolo spoľahlivo namerané, že rýchlosť priečnych vibrácií pevných látok (jednoducho rýchlosť zvuku), čím vyššia, zhruba povedané, tým tvrdšie médium (čím väčší je Youngov modul a tým nižšia hustota) a môže dosiahnuť niekoľko kilometrov. za sekundu. Rýchlosť priečnej elektromagnetickej vlny bola takmer stotisíckrát vyššia ako rýchlosť zvuku v pevných látkach. A treba poznamenať, že charakteristika tuhosti je zahrnutá v rovnici rýchlosti zvuku v pevnom látke v koreni. Ukázalo sa, že médium, cez ktoré sa šíria elektromagnetické vlny (a svetlo), má obludné elastické vlastnosti. Vznikla mimoriadne ťažká otázka: "Ako sa môžu iné telesá pohybovať cez také pevné médium a necítiť to?" Hypotetické médium sa nazývalo éter a pripisovalo mu súčasne zvláštne a vo všeobecnosti sa navzájom vylučujúce vlastnosti - obrovskú elasticitu a mimoriadnu ľahkosť.
Maxwellova práca spôsobila šok medzi súčasnými učencami. Sám Faraday s prekvapením napísal: "Najprv som sa dokonca zľakol, keď som videl, že na otázku pôsobí taká matematická sila, ale potom som bol prekvapený, keď som zistil, že otázka to zvláda tak dobre." Napriek tomu, že Maxwellove názory prevrátili všetky v tom čase známe predstavy o šírení šmykových vĺn a vĺn všeobecne, rozumní vedci pochopili, že zhoda rýchlosti svetla a elektromagnetických vĺn je zásadným výsledkom, ktorý hovorí, že je tu že fyzika bude mať zásadný prelom.
Bohužiaľ, Maxwell zomrel skoro a nedožil sa spoľahlivého experimentálneho potvrdenia svojich výpočtov. Medzinárodný vedecký názor sa zmenil v dôsledku experimentov Heinricha Hertza, ktorý o 20 rokov neskôr (1886–89) v sérii experimentov demonštroval generovanie a príjem elektromagnetických vĺn. Hertz nielenže získal správny výsledok v tichom laboratóriu, ale vášnivo a nekompromisne obhajoval Maxwellove názory. Navyše sa neobmedzil len na experimentálny dôkaz existencie elektromagnetických vĺn, ale skúmal aj ich základné vlastnosti (odraz od zrkadiel, lom v hranoloch, difrakciu, interferencie atď.), čím ukázal úplnú totožnosť elektromagnetických vĺn so svetlom.
Je zvláštne, že sedem rokov pred Hertzom, v roku 1879, anglický fyzik David Edward Hughes (Hughes - DE Hughes) preukázal aj iným významným vedcom (medzi nimi bol aj geniálny fyzik a matematik Georg-Gabriel Stokes) účinok šírenia elektromagnetických vĺn vo vzduchu. V dôsledku diskusií vedci dospeli k záveru, že vidia fenomén Faradayovej elektromagnetickej indukcie. Hughes bol naštvaný, neveril si a výsledky zverejnil až v roku 1899, keď sa Maxwell-Hertzova teória stala všeobecne akceptovanou. Tento príklad hovorí, že vo vede je vytrvalé šírenie a propagácia získaných výsledkov často nemenej dôležité ako samotný vedecký výsledok.
Heinrich Hertz zhrnul výsledky svojich experimentov: „Opísané experimenty, ako sa mi aspoň zdá, eliminujú pochybnosti o identite svetla, tepelné žiarenie a elektrodynamický vlnový pohyb “.
Elektromagnetické vlny proces šírenia sa v priestore striedavého elektromagnetického poľa sa nazýva. Teoreticky existenciu elektromagnetických vĺn predpovedal anglický vedec Maxwell v roku 1865 a prvýkrát ich experimentálne získal nemecký vedec Hertz v roku 1888.
Maxwellova teória zahŕňa vzorce opisujúce oscilácie vektorov a. Rovinná monochromatická elektromagnetická vlna šíriaca sa pozdĺž osi X, je popísaná rovnicami
Tu E a H- okamžité hodnoty, a E m a H m - hodnoty amplitúdy sily elektrického a magnetického poľa, ω - kruhová frekvencia, k je vlnové číslo. Vektory a kmitajú s rovnakou frekvenciou a fázou, vzájomne kolmo a navyše kolmo na vektor - rýchlosť šírenia vlny (obr. 3.7). To znamená, že elektromagnetické vlny sú priečne.
Vo vákuu sa elektromagnetické vlny šíria rýchlosťou. V prostredí s dielektrickou konštantou ε a magnetickú permeabilitu µ rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny je:
Frekvencia elektromagnetických kmitov, ako aj vlnová dĺžka môže byť v zásade ľubovoľná. Klasifikácia vĺn podľa frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) sa nazýva stupnica elektromagnetických vĺn. Elektromagnetické vlny sú rozdelené do niekoľkých typov.
Rádiové vlny majú vlnovú dĺžku od 103 do 10-4 m.
Svetelné vlny zahŕňajú:
Röntgenové žiarenie - 
.
Svetelné vlny sú elektromagnetické vlny, ktoré zahŕňajú infračervenú, viditeľnú a ultrafialovú časť spektra. Vlnové dĺžky svetelných vĺn vo vákuu zodpovedajúce primárnym farbám viditeľného spektra sú uvedené v tabuľke nižšie. Vlnové dĺžky sa udávajú v nanometroch.
tabuľky
Svetelné vlny majú rovnaké vlastnosti ako elektromagnetické vlny.
1. Svetelné vlny sú priečne.
2. Vo svetelnej vlne vektory a oscilujú.
Prax ukazuje, že všetky druhy vplyvov (fyziologické, fotochemické, fotoelektrické atď.) sú spôsobené osciláciami elektrického vektora. Volá sa svetelný vektor .
Amplitúda svetelného vektora E m sa často označuje písmenom A a namiesto rovnice (3.30) použite rovnicu (3.24).
3. Rýchlosť svetla vo vákuu.
Rýchlosť svetelnej vlny v prostredí je určená vzorcom (3.29). Ale pre transparentné médiá (sklo, voda) zvyčajne.
Pre svetelné vlny sa zavádza pojem - absolútny index lomu.
Absolútny index lomu je pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v danom prostredí
Od (3.29), berúc do úvahy skutočnosť, že pre transparentné médiá môžeme napísať rovnosť.
Pre vákuum ε = 1 a n= 1. Pre akékoľvek fyzické prostredie n> 1. Napríklad pre vodu n= 1,33 pre sklo. Prostredie s vyšším indexom lomu sa nazýva opticky hustejšie. Pomer absolútnych indexov lomu sa nazýva relatívny index lomu:
4. Frekvencia svetelných vĺn je veľmi vysoká. Napríklad pre červené svetlo s vlnovou dĺžkou.
Keď svetlo prechádza z jedného média do druhého, frekvencia svetla sa nemení, ale mení sa rýchlosť a vlnová dĺžka.
Pre vákuum -; na stredu - teda
.
Vlnová dĺžka svetla v médiu sa teda rovná pomeru vlnovej dĺžky svetla vo vákuu k indexu lomu
5. Keďže frekvencia svetelných vĺn je veľmi vysoká 
, vtedy oko pozorovateľa nerozlišuje medzi jednotlivými kmitmi, ale vníma spriemerované toky energie. Zavádza sa teda pojem intenzity.
Intenzita je pomer priemernej energie prenášanej vlnou k časovému intervalu a k ploche miesta kolmej na smer šírenia vlny:
Pretože energia vlny je úmerná druhej mocnine amplitúdy (pozri vzorec (3.25)), intenzita je úmerná strednej hodnote druhej mocniny amplitúdy.
Charakteristika intenzity svetla, berúc do úvahy jeho schopnosť vyvolávať zrakové vnemy, je svetelný tok - Ф .
6. Vlnová povaha svetla sa prejavuje napríklad v takých javoch, ako je interferencia a difrakcia.
Žiarenie elektromagnetických vĺn, ktoré prechádza zmenou frekvencie oscilácie nábojov, mení vlnovú dĺžku a nadobúda iné vlastnosti. Človek je doslova obklopený zariadeniami, ktoré vysielajú a prijímajú elektromagnetické vlny. Ide o mobilné telefóny, rozhlas, televízne vysielanie, röntgenové prístroje v zdravotníckych zariadeniach atď. Dokonca aj ľudské telo má elektromagnetické pole a čo je veľmi zaujímavé, každý orgán má svoju vlastnú frekvenciu žiarenia. Šíriace sa emitované nabité častice sa navzájom ovplyvňujú, vyvolávajú zmenu frekvencie vibrácií a tvorbu energie, ktorú je možné využiť na konštruktívne aj deštruktívne účely.
Elektromagnetická radiácia. všeobecné informácie
Elektromagnetické žiarenie je zmena stavu a intenzity šírenia elektromagnetických vĺn spôsobená interakciou elektrického a magnetického poľa.
Hlbokú štúdiu vlastností charakteristických pre elektromagnetické žiarenie vykonávajú:
- elektrodynamika;
- optika;
- rádiofyzika.
Žiarenie elektromagnetických vĺn vzniká a šíri sa v dôsledku kmitania nábojov, pri ktorých sa uvoľňuje energia. Majú charakter šírenia podobný mechanickému vlneniu. Zrýchlenie je vlastné pohybu nábojov – časom sa mení ich rýchlosť, čo je základná podmienka pre emisiu elektromagnetických vĺn. Sila vlny priamo súvisí so silou zrýchlenia a je jej priamo úmerná.
Definovanie ukazovateľov charakteristiky elektromagnetická radiácia:
- frekvencia vibrácií nabitých častíc;
- vlnová dĺžka emitovaného prúdu;
- polarizácia.
Elektrické pole, ktoré je najbližšie k oscilačnému náboju, podlieha zmenám. Časové rozpätie strávené týmito zmenami sa bude rovnať časovému rozpätiu oscilácií náboja. Pohyb náboja možno prirovnať k vibráciám telesa zaveseného na pružine, rozdiel je len vo frekvencii pohybu.
Pojem „žiarenie“ zahŕňa elektromagnetické polia, ktoré sa rútia čo najďalej od zdroja pôvodu a so zväčšujúcou sa vzdialenosťou strácajú na intenzite a vytvárajú vlnu.
Šírenie elektromagnetických vĺn
Maxwellove diela a ním objavené zákony elektromagnetizmu umožňujú vyťažiť oveľa viac informácií, ako môžu poskytnúť fakty, na základe ktorých je štúdia založená. Napríklad jedným zo záverov založených na zákonoch elektromagnetizmu je záver, že elektromagnetická interakcia má konečnú rýchlosť šírenia.
Ak sa budeme riadiť teóriou pôsobenia na diaľku, potom dostaneme silu, ktorá ovplyvňuje nabíjačka, ktorý je v stacionárnom stave, mení svoje indikátory, keď sa zmení umiestnenie susedného náboja. Podľa tejto teórie náboj doslova „vycíti“ cez vákuum prítomnosť svojho druhu a okamžite prevezme akciu.
Sformované koncepty akcie na krátke vzdialenosti majú úplne iný pohľad na to, čo sa deje. Pohybujúci sa náboj má striedavé elektrické pole, ktoré zase prispieva k vzniku striedavého magnetického poľa v okolitom priestore. Potom striedavé magnetické pole vyvoláva vznik elektrického poľa a tak ďalej v reťazci.
Dochádza teda k „rušeniu“ elektromagnetického poľa, ktoré je spôsobené zmenou miesta náboja v priestore. Rozširuje sa a v dôsledku toho ovplyvňuje existujúce pole jeho zmenou. Po dosiahnutí susedného náboja „rozhorčenie“ zmení ukazovatele sily, ktorá naň pôsobí. Stáva sa to nejaký čas po premiestnení prvého náboja.
Maxwell bol nadšený princípom šírenia elektromagnetických vĺn. Vynaložený čas a úsilie boli nakoniec korunované úspechom. Dokázal existenciu konečnej rýchlosti tohto procesu a dal to matematické zdôvodnenie.
Realita existencie elektromagnetického poľa je potvrdená prítomnosťou konečnej rýchlosti „rušenia“ a zodpovedá ukazovateľom rýchlosti svetla v priestore bez atómov (vákuum).
Stupnica elektromagnetického žiarenia
Vesmír je vyplnený elektromagnetickými poľami s rôznym rozsahom žiarenia a radikálne odlišnými vlnovými dĺžkami, ktoré sa môžu meniť od niekoľkých desiatok kilometrov až po zanedbateľný zlomok centimetra. Umožňujú získať informácie o objektoch nachádzajúcich sa vo veľkých vzdialenostiach od Zeme.
Na základe výroku Jamesa Maxwella o rozdiele v dĺžke elektromagnetických vĺn bola vyvinutá špeciálna stupnica, ktorá obsahuje klasifikáciu rozsahov existujúcich frekvencií a dĺžok žiarenia, ktoré tvoria striedavé magnetické pole v priestore.
G. Hertz a PN Lebedev vo svojom vývoji experimentálne dokázali správnosť Maxwellových tvrdení a doložili skutočnosť, že žiarenie svetla sú vlny elektromagnetického poľa, vyznačujúce sa krátkou dĺžkou, ktoré sú tvorené prirodzenou vibráciou atómov a molekúl. .
Medzi rozsahmi nie sú žiadne ostré prechody, ale tiež nemajú jasné hranice. Bez ohľadu na frekvenciu žiarenia všetky body na stupnici opisujú elektromagnetické vlny, ktoré sa objavujú v dôsledku zmeny polohy nabitých častíc. Vlastnosti nábojov ovplyvňuje vlnová dĺžka. Keď sa zmenia jeho ukazovatele, zmení sa odrazivosť, schopnosť prieniku, úroveň viditeľnosti atď.
Charakteristické vlastnosti elektromagnetických vĺn im umožňujú voľne sa šíriť vo vákuu aj v priestore vyplnenom hmotou. Treba poznamenať, že počas pohybu vo vesmíre žiarenie mení svoje správanie. V prázdnote sa rýchlosť šírenia žiarenia nemení, preto je frekvencia kmitov pevne prepojená s vlnovou dĺžkou.
Elektromagnetické vlny rôznych rozsahov a ich vlastnosti
Medzi elektromagnetické vlny patria:
- Nízkofrekvenčné vlny. Vyznačujú sa frekvenciou kmitov nie väčšou ako 100 kHz. Tento rozsah platí pre prácu elektrické zariadenia a motory, napríklad mikrofón alebo reproduktor, telefónne siete, ako aj v oblasti rozhlasového vysielania, filmového priemyslu a pod. rýchlosť šírenia je úmerná odmocnina ich frekvencie. Lodge a Tesla významne prispeli k objavu a štúdiu nízkofrekvenčných vĺn.
- Rádiové vlny. Hertzov objav rádiových vĺn v roku 1886 dal svetu možnosť prenášať informácie bez použitia drôtov. Dĺžka rádiovej vlny ovplyvňuje charakter jej šírenia. Rovnako ako frekvencie zvukových vĺn vznikajú v dôsledku striedavého prúdu (v procese rádiovej komunikácie prúdi striedavý prúd do prijímača - antény). Vysokofrekvenčná rádiová vlna prispieva k výraznému vyžarovaniu rádiových vĺn do okolitého priestoru, čo dáva jedinečnú možnosť prenášať informácie na veľké vzdialenosti (rozhlas, televízia). Tento druh mikrovlnného žiarenia sa používa na komunikáciu vo vesmíre, ako aj v každodennom živote. Dobrým pomocníkom pre gazdinky sa stala napríklad mikrovlnná mikrovlnná rúra, ktorá vysiela rádiové vlny.
- Infračervené žiarenie (nazývané aj "tepelné"). Podľa klasifikácie stupnice elektromagnetického žiarenia sa oblasť šírenia infračerveného žiarenia nachádza za rádiovými vlnami a pred viditeľným svetlom. Infračervené vlny vyžarujú všetky telesá, ktoré vyžarujú teplo. Príkladmi zdrojov takéhoto žiarenia sú kachle, batérie používané na vykurovanie, založené na prenose tepla vody, žiarovky. K dnešnému dňu vyvinutý špeciálne zariadenia ktoré vám umožňujú vidieť predmety v úplnej tme, z ktorej vychádza teplo. Hady majú takéto prirodzené senzory na detekciu tepla v oblasti očí. To im umožňuje sledovať svoju korisť a loviť v noci. Infračervené žiarenie človek využíva napríklad na vykurovanie budov, na sušenie zeleniny, ale aj dreva vo vojenskej oblasti (napríklad prístroje nočného videnia či termokamery), na bezdrôtové ovládanie audiocentra či TV a iných zariadení pomocou diaľkové ovládanie.
- Viditeľné svetlo. Má svetelné spektrum od červenej po fialovú a vníma ho ľudské oko, ktoré je hlavné punc... Farba vyžarovaná rôznymi vlnovými dĺžkami má elektrochemický účinok na systém zrakového vnímania človeka, ale nie je zahrnutá v sekcii vlastností elektromagnetických vĺn v tomto rozsahu.
- Ultrafialové žiarenie. Nie je fixované ľudským okom a má menšiu vlnovú dĺžku ako fialové svetlo. V malých dávkach spôsobujú ultrafialové lúče liečivý účinok, prispievajú k tvorbe vitamínu D, majú baktericídny účinok a majú pozitívny vplyv na centrálny nervový systém... Nadmerná saturácia prostredia ultrafialovými lúčmi vedie k poškodeniu koža a poškodenie sietnice, a preto oftalmológovia odporúčajú v letných mesiacoch používať slnečné okuliare. Ultrafialové žiarenie sa používa v medicíne (na ultrafialové lúče sa používajú kremenné lampy), na overenie pravosti bankoviek, na zábavné účely na diskotékach (takéto osvetlenie rozžiari svetlé materiály), ako aj na zistenie vhodnosti potravín.
- Röntgenové žiarenie. Takéto vlny nie sú viditeľné pre ľudské oko. Majú úžasnú vlastnosť prenikať cez vrstvy hmoty, čím sa vyhýbajú silnej absorpcii, ktorá je pre lúče viditeľného svetla nedostupná. Žiarenie prispieva k luminiscencii určitých typov kryštálov a ovplyvňuje fotografický film. Používa sa v medicíne na diagnostiku chorôb vnútorné orgány a liečiť konkrétny zoznam chorôb, kontrolovať interné zariadenie výrobky na chyby, ako aj zvary v technológii.
- Gama žiarenie. Najkratšia vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia emitujúceho jadrá atómu. Zníženie vlnovej dĺžky vedie k zmenám výkonu. Gama žiarenie má prenikavú silu mnohonásobne vyššiu ako röntgenové lúče. Dá sa prejsť betónová stena jeden meter hrubý a aj cez olovené bariéry niekoľko centimetrov. Pri rozpade látok alebo jednoty dochádza k uvoľneniu základné prvky atóm, ktorý sa nazýva žiarenie. Takéto vlny sú zahrnuté v zozname rádioaktívne žiarenie... Pri výbuchu jadrovej hlavice sa na krátky čas vytvorí elektromagnetické pole, ktoré je produktom reakcie medzi lúčmi gama spektra a neutrónmi. Pôsobí aj ako hlavný prvok jadrové zbrane, ktorý má škodlivý účinok, úplne blokuje alebo narúša činnosť rádiovej elektroniky, drôtovej komunikácie a systémov, ktoré zabezpečujú napájanie. Taktiež, keď vybuchne jadrová zbraň, uvoľní sa veľa energie.
závery
Vlny elektromagnetického poľa, ktoré majú určitú dĺžku a sú v určitom rozsahu kmitov, môžu mať obe pozitívny vplyv na ľudskom tele a na úrovni jeho adaptácie životné prostredie, vďaka vývoju pom elektrické spotrebiče a negatívne až deštruktívne účinky na ľudské zdravie a životné prostredie.
Elektromagnetické vlny sú klasifikované podľa vlnovej dĺžky λ alebo súvisiacej vlnovej frekvencie f... Poznamenávame tiež, že tieto parametre charakterizujú nielen vlnové, ale aj kvantové vlastnosti elektromagnetického poľa. V prvom prípade je teda elektromagnetická vlna opísaná klasickými zákonmi študovanými v tomto kurze.
Uvažujme o koncepte spektra elektromagnetických vĺn. Spektrum elektromagnetických vĺn nazývané frekvenčné pásmo elektromagnetických vĺn, ktoré existujú v prírode.
Spektrum elektromagnetického žiarenia v poradí rastúcej frekvencie je:
Rôzne časti elektromagnetického spektra sa líšia v spôsobe, akým vyžarujú a prijímajú vlny patriace do tej či onej časti spektra. Z tohto dôvodu neexistujú žiadne ostré hranice medzi rôznymi časťami elektromagnetického spektra, ale každý rozsah je spôsobený svojimi vlastnými charakteristikami a prevahou jeho zákonov, určenými pomermi lineárnych mierok.
Rádiové vlny sú študované klasickou elektrodynamikou. Infračervené svetlo a ultrafialové žiarenie študuje klasická optika aj kvantová fyzika. Röntgenové a gama žiarenie sa študuje v kvantovej a jadrovej fyzike.
Pozrime sa podrobnejšie na spektrum elektromagnetických vĺn.
Nízkofrekvenčné vlny
Nízkofrekvenčné vlny sú elektromagnetické vlny, ktorých frekvencia kmitov nepresahuje 100 kHz). Práve tento frekvenčný rozsah sa tradične používa v elektrotechnike. V priemyselnej energetike sa používa frekvencia 50 Hz, pri ktorej sa uskutočňuje prenos elektrickej energie vedením a premena napätí transformátorovými zariadeniami. Letectvo a pozemná doprava často používajú 400 Hz kvôli výhodám hmotnosti elektromobily a transformátory 8-krát v porovnaní s frekvenciou 50 Hz. Spínané zdroje najnovšej generácie využívajú transformačné frekvencie striedavý prúd jednotky a desiatky kHz, čo ich robí kompaktnými, energeticky náročnými.
Zásadným rozdielom medzi nízkofrekvenčným rozsahom a vyššími frekvenciami je pokles rýchlosti elektromagnetických vĺn v pomere k druhej odmocnine ich frekvencie z 300 tisíc km/s pri 100 kHz na cca 7 tisíc km/s pri 50 Hz.
Rádiové vlny
Rádiové vlny sú elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou presahujúcou 1 mm (frekvencia menej ako 3 10 11 Hz = 300 GHz) a menej ako 3 km (nad 100 kHz).
Rádiové vlny sa delia na:
1. Dlhé vlny v rozsahu dĺžok od 3 km do 300 m (frekvencia v rozsahu 10 5 Hz - 10 6 Hz = 1 MHz);
2. Stredné vlny v rozsahu dĺžok od 300 m do 100 m (frekvencia v rozsahu 10 6 Hz -3 * 10 6 Hz = 3 MHz);
3. Krátke vlny v rozsahu vlnových dĺžok od 100m do 10m (frekvencia v rozsahu 310 6 Hz-310 7 Hz = 30 MHz);
4. Ultrakrátke vlny s vlnovou dĺžkou menšou ako 10 m (frekvencia viac ako 310 7 Hz = 30 MHz).
Ultrakrátke vlny sa zase delia na:
A) metrové vlny;
B) centimetrové vlny;
B) milimetrové vlny;
Vlny s vlnovou dĺžkou menšou ako 1 m (frekvencia menšia ako 300 MHz) sa nazývajú mikrovlny alebo mikrovlnné vlny.
Vzhľadom na veľké hodnoty rádiových vlnových dĺžok v porovnaní s veľkosťou atómov možno uvažovať o šírení rádiových vĺn bez zohľadnenia atómovej štruktúry média, t.j. fenomenologicky, ako je zvykom pri konštrukcii Maxwellovej teórie. Kvantové vlastnosti rádiových vĺn sa prejavujú len pre najkratšie vlny susediace s infračervenou oblasťou spektra a pri šírení tzv. ultrakrátke impulzy s trvaním rádovo 10 -12 s-10 -15 s, porovnateľné s dobou oscilácie elektrónov vo vnútri atómov a molekúl.
Zásadným rozdielom medzi rádiovými vlnami a vyššími frekvenciami je odlišný termodynamický vzťah medzi vlnovou dĺžkou vlnového nosiča (éter), rovnajúcej sa 1 mm (2,7 ° K) a elektromagnetickou vlnou šírenou v tomto prostredí.
Biologický účinok rádiových vĺn
Strašná obetavá skúsenosť s použitím silného rádiového žiarenia v radarovej technológii ukázala špecifické pôsobenie rádiových vĺn v závislosti od vlnovej dĺžky (frekvencie).
zapnuté Ľudské telo deštruktívny účinok nevyvoláva ani tak priemer, ako vrcholový výkon žiarenia, pri ktorom dochádza v proteínových štruktúrach k nezvratným javom. Napríklad výkon kontinuálneho žiarenia magnetrónu mikrovlnnej rúry (mikrovlnnej rúry), ktorý je 1 kW, pôsobí len na potraviny v malom uzavretom (tienenom) objeme rúry a je takmer bezpečný pre osobu nablízku. Výkon radarovej stanice (radar, radar) v 1 kW priemerného výkonu emitovaného krátkymi impulzmi s pracovným cyklom 1 000: 1 (pomer periódy opakovania k trvaniu impulzu) a podľa toho aj impulzný výkon 1 MW, je veľmi nebezpečný pre ľudské zdravie a život vo vzdialenosti až stoviek metrov od žiariča. V tom druhom samozrejme zohráva rolu aj smerovosť žiarenia radaru, ktorá zvýrazňuje skôr deštruktívny účinok pulzného ako priemerného výkonu.
Vplyv metrových vĺn
Meracie vlny vysokej intenzity vyžarované pulznými generátormi meracích radarových staníc (radarov) s pulzným výkonom viac ako megawatt (ako je stanica včasného varovania P-16) a úmerné dĺžke miechy ľudí a zvierat, ako aj dĺžka axónov narúša vodivosť týchto štruktúr, čo spôsobuje diencefalický syndróm (mikrovlnné ochorenie). Ten vedie k rýchlemu rozvoju (v priebehu niekoľkých mesiacov až niekoľkých rokov), úplnému alebo čiastočnému (v závislosti od prijatej pulznej dávky žiarenia), nezvratnej paralýze ľudských končatín, ako aj narušeniu inervácie čriev. a iných vnútorných orgánov.
Vystavenie decimetrovým vlnám
Decimetrové vlny sú vlnovou dĺžkou porovnateľné s krvnými cievami a pokrývajú také orgány ľudí a zvierat, ako sú pľúca, pečeň a obličky. Aj preto vyvolávajú v týchto orgánoch vznik „benígnych“ nádorov (cýst). Tieto nádory, ktoré sa vyvíjajú na povrchu krvných ciev, vedú k zastaveniu normálneho krvného obehu a narušeniu fungovania orgánov. Ak sa takéto nádory neodstránia včas operáciou, potom nastáva smrť tela. Decimetrové vlny nebezpečných úrovní intenzity vyžarujú magnetróny takých radarov, ako je mobilný radar protivzdušnej obrany P-15, ako aj radary niektorých lietadiel.
Vystavenie centimetrovým vlnám
Silné centimetrové vlny spôsobujú také ochorenia ako leukémia – „leukémia“, ako aj iné formy zhubných nádorov u ľudí a zvierat. Vlny dostatočnej intenzity pre výskyt týchto ochorení vytvárajú radary centimetrového dosahu P-35, P-37 a prakticky všetky radary lietadiel.
Infračervené, svetelné a ultrafialové žiarenie
Infračervené, svetlo, ultrafialové radiačné tvoria optická oblasť spektra elektromagnetických vĺn v najširšom zmysle slova. Toto spektrum pokrýva rozsah elektromagnetických vlnových dĺžok v intervale od 2 · 10 -6 m = 2 µm do 10 -8 m = 10 nm (vo frekvencii od 1,5 · 10 14 Hz do 3 · 10 16 Hz). Horná hranica optického rozsahu je určená dlhovlnnou hranicou infračerveného rozsahu a spodná hranica krátkovlnnej ultrafialovej oblasti (obrázok 2.14).
Blízkosť spektrálnych oblastí uvedených vĺn určila podobnosť metód a nástrojov použitých na ich štúdium a praktické uplatnenie... Historicky sa na tieto účely používali šošovky, difrakčné mriežky, hranoly, diafragmy, opticky aktívne látky, ktoré sú súčasťou rôznych optických zariadení (interferometre, polarizátory, modulátory atď.).
Na druhej strane žiarenie v optickej oblasti spektra má všeobecné zákonitosti upravujúce prechod rôznych médií, ktoré možno získať pomocou geometrickej optiky, ktorá sa široko používa na výpočty a konštrukciu ako optických zariadení, tak aj na šírenie optického signálu. kanály. Infračervené žiarenie je viditeľné pre mnohé článkonožce (hmyz, pavúky atď.) a plazy (hady, jašterice atď.) dostupný pre polovodičové senzory (infračervené fotomatrice), ale neprechádza hrúbkou zemskej atmosféry, ktorá nepovoľuje pozorovať z povrchu Zeme infračervené hviezdy – „hnedých trpaslíkov“, ktorí tvoria viac ako 90 % všetkých hviezd v Galaxii.
Frekvenčná šírka optického rozsahu je približne 18 oktáv, z čoho približne jedna oktáva () pripadá na optický rozsah; do ultrafialového svetla - 5 oktáv ( 
), infračervené žiarenie - 11 oktáv (
V optickej časti spektra nadobúdajú na význame javy spôsobené atomistickou štruktúrou hmoty. Z tohto dôvodu sa spolu s vlnovými vlastnosťami optického žiarenia prejavujú aj kvantové vlastnosti.
Svetlo
|
Svetlo, svetlo, viditeľné žiarenie- časť optického spektra elektromagnetického žiarenia viditeľná očami človeka a primátov zaberá rozsah elektromagnetických vlnových dĺžok v rozsahu od 400 nanometrov do 780 nanometrov, teda menej ako jednu oktávu - dvojnásobná zmena frekvencie.
Ryža. 1.14. Stupnica elektromagnetických vĺn Slovné zapamätanie poradia farieb vo svetelnom spektre: |
Röntgenové a gama žiarenie
V oblasti röntgenového a gama žiarenia vystupujú do popredia kvantové vlastnosti žiarenia.
Röntgenové žiarenie vzniká pri spomaľovaní rýchlo nabitých častíc (elektrónov, protónov a pod.), ako aj v dôsledku procesov prebiehajúcich vo vnútri elektrónových obalov atómov.
Gama žiarenie je dôsledkom javov prebiehajúcich vo vnútri atómových jadier, ako aj výsledkom jadrových reakcií. Hranica medzi röntgenovým a gama žiarením je určená konvenčne veľkosťou kvanta energie zodpovedajúcej danej frekvencii žiarenia.
Röntgenové žiarenie je zložené z elektromagnetických vĺn s dĺžkou 50 nm až 10 -3 nm, čo zodpovedá energii fotónu od 20 eV do 1 MeV.
Gama žiarenie je zložené z elektromagnetických vĺn s vlnovou dĺžkou menšou ako 10 -2 nm, čo zodpovedá energii fotónu väčšej ako 0,1 MeV.
Elektromagnetická povaha svetla
Svetlo je viditeľná časť spektra elektromagnetických vĺn, ktorých vlnové dĺžky zaberajú interval od 0,4 µm do 0,76 µm. Každá spektrálna zložka optického žiarenia môže byť priradená špecifická farba... Farba spektrálnych zložiek optického žiarenia je určená ich vlnovou dĺžkou. Farba žiarenia sa mení so znižovaním jeho vlnovej dĺžky nasledovne: červená, oranžová, žltá, zelená, azúrová, modrá, fialová.
Zodpovedajúce červenému svetlu najväčšia dĺžka vlny, vymedzuje červený okraj spektra. Fialové svetlo - zodpovedá fialovému okraju.
Prirodzené (denné svetlo, slnečné svetlo) svetlo nie je farebné a predstavuje superpozíciu elektromagnetických vĺn zo všetkého ľudsky viditeľné spektrum. Prirodzené svetlo pochádza z emisie elektromagnetických vĺn z excitovaných atómov. Povaha budenia môže byť rôzna: tepelná, chemická, elektromagnetická atď. V dôsledku excitácie atómy vyžarujú elektromagnetické vlny chaotickým spôsobom po dobu asi 10 -8 sekúnd. Keďže energetické spektrum excitácie atómov je dostatočne široké, vyžarujú sa elektromagnetické vlny z celého viditeľného spektra, ktorého počiatočná fáza je náhodná. Z tohto dôvodu prirodzené svetlo nie je polarizované. To znamená, že „hustota“ spektrálnych zložiek elektromagnetických vĺn prirodzeného svetla, ktoré majú vzájomne kolmé polarizácie, je rovnaká.
Harmonické elektromagnetické vlny v oblasti svetla sa nazývajú monochromatické... Pre monochromatickú svetelnú vlnu je jednou z hlavných charakteristík intenzita. Intenzita svetelnej vlny je priemerná hodnota hustoty energetického toku (1,25) prenášaného vlnou:
Kde je Poyntingov vektor.
Výpočet intenzity svetelnej, rovinnej, monochromatickej vlny s amplitúdou elektrického poľa v homogénnom prostredí s dielektrickou a magnetickou permeabilitou podľa vzorca (1.35) s prihliadnutím na (1.30) a (1.32) dáva:
Tradične sa optické javy zobrazujú pomocou lúčov. Opis optických javov pomocou lúčov je tzv geometricko-optika... Pravidlá hľadania trajektórií lúčov vyvinuté v geometrickej optike sa v praxi široko používajú na analýzu optických javov a pri konštrukcii rôznych optických zariadení.
Uveďme definíciu lúča na základe elektromagnetického znázornenia svetelných vĺn. Po prvé, lúče sú čiary, pozdĺž ktorých sa šíria elektromagnetické vlny. Z tohto dôvodu je lúč priamka, v ktorej každom bode je spriemerovaný Poyntingov vektor elektromagnetickej vlny nasmerovaný tangenciálne k tejto priamke.
V homogénnych izotropných prostrediach sa smer priemerného Poyntingovho vektora zhoduje s normálou k povrchu vlny (rovnofázová plocha), t.j. pozdĺž vlnového vektora.
V homogénnych izotropných prostrediach sú teda lúče kolmé na príslušnú vlnoplochu elektromagnetickej vlny.
Ako príklad uvažujme lúče vyžarované bodovým monochromatickým zdrojom svetla. Z hľadiska geometrickej optiky vyžaruje zo zdrojového bodu množstvo lúčov v radiálnom smere. Z hľadiska elektromagnetickej podstaty svetla sa z miesta zdroja šíri sférické elektromagnetické vlnenie. V dostatočne veľkej vzdialenosti od zdroja možno zakrivenie čela vlny zanedbať, za predpokladu, že lokálne sférické vlnenie je rovinné. Rozdelením povrchu čela vlny na veľký počet lokálne plochých úsekov je možné stredom každého úseku nakresliť normálu, pozdĺž ktorej sa šíri rovinná vlna, t.j. v geometricko-optickej interpretácii lúč. Obidva prístupy teda poskytujú rovnaký opis uvažovaného príkladu.
Hlavnou úlohou geometrickej optiky je nájsť smer lúča (trajektóriu). Rovnica trajektórie sa nájde po vyriešení variačnej úlohy hľadania minima tzv. akcie na požadovaných trajektóriách. Bez toho, aby sme zachádzali do detailov prísnej formulácie a riešenia tohto problému, môžeme predpokladať, že lúče sú trajektórie s najmenšou celkovou optickou dĺžkou. Toto tvrdenie je dôsledkom Fermatovho princípu.
Variačný prístup k určovaniu trajektórie lúčov možno aplikovať na nehomogénne prostredia, t.j. také médiá, pre ktoré je index lomu funkciou súradníc bodov prostredia. Ak funkcia opisuje tvar povrchu vlnoplochy v nehomogénnom prostredí, potom ju možno nájsť pri riešení parciálnej diferenciálnej rovnice, známej ako eikonalá rovnica, a v analytickej mechanike ako Hamiltonovu - Jacobiho rovnicu:
Matematický základ geometricko-optickej aproximácie elektromagnetickej teórie teda tvoria rôzne metódy určovania polí elektromagnetických vĺn na lúčoch, vychádzajúc z rovnice eikonal alebo iným spôsobom. Geometrooptická aproximácia je v praxi široko používaná v rádioelektronike na výpočet tzv. kvázioptické systémy.
Na záver poznamenávame, že schopnosť opísať svetlo súčasne z vlnových polôh riešením Maxwellových rovníc a pomocou lúčov, ktorých smer je určený z Hamiltonových - Jacobiho rovníc popisujúcich pohyb častíc, je jedným z prejavov zdanlivého dualizmu. svetla, čo viedlo, ako je známe, k formulácii logicky protichodných princípov kvantovej mechaniky.
V skutočnosti neexistuje dualizmus v povahe elektromagnetických vĺn. Ako ukázal Max Planck v roku 1900 vo svojom klasickom diele „O normálnom spektre žiarenia“, elektromagnetické vlny sú jednotlivé kvantované oscilácie frekvencie. v a energie E = vv, kde h = konšt, vo vzduchu. Posledne uvedené je supratekuté médium so stabilnou vlastnosťou diskontinuity podľa miery h je Planckova konštanta. Keď je éter vystavený energii nad hv pri žiarení vzniká kvantovaný „vír“. Presne ten istý jav pozorujeme vo všetkých supratekutých látkach a v nich vznik fonónov – kvantá zvukového žiarenia.
Za „skopírovať a vložiť“ kombináciu objavu Maxa Plancka z roku 1900 s fotoelektrickým efektom objaveným v roku 1887 Heinrichom Hertzom, v roku 1921 Nobelova komisia udelila cenu Albertovi Einsteinovi.
1) Podľa definície je oktáva frekvenčný rozsah medzi ľubovoľnou frekvenciou w a jej druhou harmonickou rovnou 2w.
2. V relativizme je „svetlo“ mýtický jav sám o sebe, a nie fyzická vlna, ktorá je vzrušením určitého fyzického prostredia. Relativistické „svetlo“ je vzrušenie z ničoho v ničom. Nemá oscilačné médium.
3. V relativizme sú možné manipulácie s časom (spomalenie), preto sa tam porušuje princíp kauzality a princíp prísnej logiky, zásadný pre každú vedu. V relativizme sa pri rýchlosti svetla zastavuje čas (preto je absurdné hovoriť o frekvencii fotónu v ňom). V relativizme je takéto násilie proti mysli možné, ako tvrdenie o vzájomnom prekročení veku dvojčiat pohybujúcich sa podsvetelnou rýchlosťou a ďalší výsmech logike, ktorá je vlastná každému náboženstvu.
