Elektromanyetik alanı tanımlayan, teorik olarak bir boşluktaki elektromanyetik alanın, kaynakların (yüklerin ve akımların) yokluğunda var olabileceğini gösterdi. Kaynakları olmayan bir alan, boşlukta ışık hızına eşit olan sonlu bir hızla yayılan dalgalar biçimindedir: İle= 299792458±1,2 m/sn. Elektromanyetik dalgaların boşluktaki yayılma hızının ışığın önceden ölçülen hızıyla çakışması, Maxwell'in ışığın elektromanyetik dalga olduğu sonucuna varmasına olanak sağladı. Benzer bir sonuç daha sonra ışığın elektromanyetik teorisinin temelini oluşturdu.
1888'de elektromanyetik dalgalar teorisi, G. Hertz'in deneylerinde deneysel olarak doğrulandı. Hertz, yüksek voltaj kaynağı ve vibratörler (bkz. Hertz vibratörü) kullanarak, bir elektromanyetik dalganın yayılma hızını ve uzunluğunu belirlemek için incelikli deneyler gerçekleştirebildi. Elektromanyetik bir dalganın yayılma hızının ışığın elektromanyetik doğasını kanıtlayan ışık hızına eşit olduğu deneysel olarak doğrulandı.
Elektromanyetik dalgaların keşfi - harika örnek Deney ve teori arasındaki etkileşim. Fiziğin, görünüşte tamamen farklı özellikleri (elektrik ve manyetizma) nasıl birleştirdiğini, bu özelliklerde aynı fiziksel olgunun (elektromanyetik etkileşim) farklı yönlerini keşfederek nasıl birleştirdiğini gösteriyor. Bugün güçlü ve zayıf nükleer kuvvetleri ve yerçekimini de içeren bilinen dört temel fiziksel etkileşimden biridir. Elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleşik bir bakış açısıyla tanımlayan bir elektrozayıf etkileşim teorisi zaten oluşturulmuştur. nükleer kuvvetler. Ayrıca elektrozayıf ve güçlü etkileşimleri kapsayan bir sonraki birleştirici teori olan kuantum renk dinamiği de vardır, ancak doğruluğu biraz daha düşüktür. Betimlemek Tüm temel etkileşimler Fiziğin sicim teorisi ve kuantum yerçekimi gibi alanları çerçevesinde bu yönde yoğun araştırmalar yapılmasına rağmen, birleşik bir konuma ulaşmak henüz mümkün olmadı.
Elektromanyetik dalgalar teorik olarak büyük İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell tarafından tahmin edildi (muhtemelen ilk kez 1862'de On Physical Lines of Force'ta yayınlandı, ancak Detaylı Açıklama teorisi 1867'de yayımlandı). Michael Faraday'ın elektriksel ve manyetik olayları ve diğer bilim adamlarının sonuçlarını açıklayan biraz saf resimlerini özenle ve büyük bir saygıyla katı matematik diline çevirmeye çalıştı. Tüm elektriksel ve manyetik olguları aynı şekilde sıralayan Maxwell, bir takım çelişkiler ve simetri eksikliği keşfetti. Faraday yasasına göre, alternatif manyetik alanlar elektrik alanları oluşturur. Ancak alternatif elektrik alanlarının manyetik alanlar oluşturup oluşturmadığı bilinmiyordu. Maxwell, denklemlere, elektrik alanı değiştiğinde manyetik alanın görünümünü tanımlayan ek bir terim ekleyerek çelişkiden kurtulmayı ve elektrik ve manyetik alanların simetrisini yeniden sağlamayı başardı. O zamana kadar Oersted'in deneyleri sayesinde zaten biliniyordu: DC iletkenin etrafında sabit bir manyetik alan oluşturur. Yeni terim, manyetik alanın farklı bir kaynağını tanımlıyordu ancak bir tür hayali kaynak olarak düşünülebilir. elektrik Maxwell'in aradığı yer değiştirme akımı, onu iletkenler ve elektrolitlerdeki sıradan akımdan - iletim akımından ayırmak için. Sonuç olarak, alternatif manyetik alanların elektrik alanları ürettiği ve alternatif elektrik alanlarının manyetik alanlar ürettiği ortaya çıktı. Ve sonra Maxwell, böyle bir kombinasyonda salınımlı elektrik ve manyetik alanların kendilerini üreten iletkenlerden ayrılabileceğini ve boşlukta belirli ama çok yüksek bir hızla hareket edebileceğini fark etti. Bu hızı hesapladı ve saniyede yaklaşık üç yüz bin kilometre olduğu ortaya çıktı.
Sonuçtan şok olan Maxwell, William Thomson'a (özellikle mutlak sıcaklık ölçeğini geliştiren Lord Kelvin) şunları yazdı: "Kohlrausch ve Weber'in elektromanyetik deneylerinden hesaplanan, varsayımsal ortamımızdaki enine dalga salınımlarının hızı şu şekilde çakışıyor: tam olarak Fizeau'nun optik deneylerinden hesaplanan ışık hızıyla şu sonuca varmamızı pek reddedemeyiz: ışık, elektriksel ve manyetik olaylara neden olan aynı ortamın enine titreşimlerinden oluşur" Ve mektubun devamında: “Denklemlerimi taşrada yaşarken aldım ve bulduğum manyetik etkilerin yayılma hızının ışık hızına yakınlığından şüphelenmedim, bu yüzden manyetik ve manyetik etkileri dikkate almak için her türlü nedenim olduğunu düşünüyorum. Aydınlık ortamlar aynı ortamla..."
Maxwell denklemleri bir okuldaki fizik dersinin kapsamının çok ötesine geçer, ancak o kadar güzel ve özlüdürler ki, fizik sınıfında göze çarpan bir yere yerleştirilmelidirler çünkü insanlar için önemli olan doğa olaylarının çoğu sadece birkaç örnekle tanımlanabilir. Bu denklemlerin çizgileri. Daha önce heterojen gerçekler birleştirildiğinde bilgi bu şekilde sıkıştırılır. Diferansiyel gösterimde Maxwell denklemlerinin bir türü aşağıda verilmiştir. Hayran olun.
Maxwell'in hesaplamalarının cesaret kırıcı bir sonuç doğurduğunu vurgulamak isterim: Elektrik ve manyetik alanların salınımları çaprazdır (ki kendisi bunu her zaman vurgulamıştır). Ve enine titreşimler yalnızca katılar, ancak sıvılarda ve gazlarda değil. O zamana kadar, katılardaki enine titreşimlerin hızının (basitçe ses hızının) daha yüksek olduğu, kabaca konuşursak, ortamın daha sert olduğu (Young modülü ne kadar yüksek ve yoğunluk ne kadar düşükse) güvenilir bir şekilde ölçülmüştü ve birkaç taneye ulaşabiliyordu. saniyede kilometre. Enine elektromanyetik dalganın hızı, katılardaki ses hızından neredeyse yüz bin kat daha yüksekti. Ayrıca kök altındaki katı bir cisimdeki ses hızı denkleminde sertlik özelliğinin de yer aldığına dikkat edilmelidir. Elektromanyetik dalgaların (ve ışığın) içinden geçtiği ortamın olağanüstü esneklik özelliklerine sahip olduğu ortaya çıktı. Son derece zor bir soru ortaya çıktı: "Diğer bedenler nasıl bu kadar katı bir ortamda hareket ediyor ve onu hissetmiyor?" Varsayımsal ortama eter adı verildi ve ona hem garip hem de genel anlamda birbirini dışlayan özellikler - muazzam esneklik ve olağanüstü hafiflik - atfedildi.
Maxwell'in çalışmaları çağdaş bilim adamları arasında şok yarattı. Faraday şaşkınlıkla şunları yazdı: "İlk başta soruya bu kadar matematiksel bir kuvvet uygulandığını görünce korktum, ama sonra sorunun bu kadar iyi karşılandığını görünce şaşırdım." Maxwell'in görüşlerinin, enine dalgaların yayılması ve genel olarak dalgalar hakkında o zamanlar bilinen tüm fikirleri alt üst etmesine rağmen, ileri görüşlü bilim adamları, ışık hızı ile elektromanyetik dalgaların çakışmasının temel bir sonuç olduğunu anladılar; Fizikte büyük bir atılımın beklendiği yer burasıydı.
Ne yazık ki Maxwell erken öldü ve hesaplamalarının güvenilir deneysel doğrulamasını görecek kadar yaşamadı. Uluslararası bilimsel görüş, 20 yıl sonra (1886-89) bir dizi deneyle elektromanyetik dalgaların oluşumunu ve alınışını gösteren Heinrich Hertz'in deneyleri sonucunda değişti. Hertz yalnızca laboratuvarın sessizliğinde doğru sonucu elde etmekle kalmadı, aynı zamanda Maxwell'in görüşlerini tutkuyla ve tavizsiz bir şekilde savundu. Dahası, kendisini elektromanyetik dalgaların varlığının deneysel kanıtlarıyla sınırlamadı, aynı zamanda elektromanyetik dalgaların ışıkla tam kimliğini gösteren temel özelliklerini (aynalardan yansıma, prizmalarda kırılma, kırınım, girişim vb.) de inceledi.
Hertz'den yedi yıl önce, 1879'da İngiliz fizikçi David Edward Hughes'un (Hughes - D. E. Hughes) diğer önde gelen bilim adamlarına (aralarında parlak fizikçi ve matematikçi Georg-Gabriel Stokes da vardı) yayılmanın etkisini göstermesi ilginçtir. Havadaki elektromanyetik dalgaların Tartışmalar sonucunda bilim insanları Faraday elektromanyetik indüksiyon olayını gördükleri sonucuna vardılar. Hughes üzüldü, kendine inanmadı ve sonuçları ancak 1899'da, Maxwell-Hertz teorisi genel olarak kabul edildiğinde yayınladı. Bu örnek, bilimde elde edilen sonuçların ısrarla yayılmasının ve propagandasının çoğu zaman bilimsel sonucun kendisinden daha az önemli olmadığını göstermektedir.
Heinrich Hertz deneylerinin sonuçlarını şöyle özetledi: "Açıklanan deneyler, en azından bana öyle geliyor ki, ışığın kimliği hakkındaki şüpheleri ortadan kaldırıyor, termal radyasyon ve elektrodinamik dalga hareketi".
Elektromanyetik dalgalar alternatif bir elektromanyetik alanın uzayda yayılma sürecidir. Teorik olarak elektromanyetik dalgaların varlığı 1865 yılında İngiliz bilim adamı Maxwell tarafından tahmin edilmiş ve ilk kez 1888 yılında Alman bilim adamı Hertz tarafından deneysel olarak elde edilmiştir.
Maxwell'in teorisinden, vektörlerin salınımlarını tanımlayan formülleri takip edin. Eksen boyunca yayılan düzlem monokromatik elektromanyetik dalga X, denklemlerle tanımlanır
Burada e Ve H- anlık değerler ve e m ve H m - elektrik ve manyetik alan kuvvetinin genlik değerleri, ω - dairesel frekans, k- dalga sayısı. Aynı frekans ve faza sahip vektörler ve salınımlar karşılıklı olarak diktir ve ayrıca vektöre diktir - dalga yayılma hızı (Şekil 3.7). Yani elektromanyetik dalgalar eninedir.
Boşlukta elektromanyetik dalgalar hızla hareket eder. Dielektrik sabiti olan bir ortamda ε ve manyetik geçirgenlik µ Bir elektromanyetik dalganın yayılma hızı şuna eşittir:
Elektromanyetik salınımların frekansı ve dalga boyu prensipte herhangi bir şey olabilir. Dalgaların frekansa (veya dalga boyuna) göre sınıflandırılmasına elektromanyetik dalga ölçeği denir. Elektromanyetik dalgalar çeşitli türlere ayrılır.
Radyo dalgaları 10 3 ila 10 -4 m arasında bir dalga boyuna sahiptir.
Işık dalgaları katmak:
X-ışını radyasyonu - 
.
Işık dalgaları, spektrumun kızılötesi, görünür ve morötesi kısımlarını içeren elektromanyetik dalgalardır. Görünür spektrumun ana renklerine karşılık gelen vakumdaki ışığın dalga boyları aşağıdaki tabloda gösterilmektedir. Dalga boyu nanometre cinsinden verilir.
Masa
Işık dalgaları elektromanyetik dalgalarla aynı özelliklere sahiptir.
1. Işık dalgaları eninedir.
2. Vektörler bir ışık dalgasında salınır.
Deneyimler, her türlü etkinin (fizyolojik, fotokimyasal, fotoelektrik vb.) elektrik vektörünün salınımlarından kaynaklandığını göstermektedir. O aradı ışık vektör .
Işık vektörünün genliği e m genellikle harfle gösterilir A denklem (3.30) yerine denklem (3.24) kullanılır.
3. Işığın boşluktaki hızı.
Bir ışık dalgasının ortamdaki hızı formül (3.29) ile belirlenir. Ancak şeffaf ortamlar (cam, su) için bu olağandır.
Işık dalgaları için mutlak kırılma indisi kavramı tanıtıldı.
Mutlak kırılma indisiışığın boşluktaki hızının belirli bir ortamdaki hızına oranıdır
(3.29)'dan şeffaf ortamlar için eşitlik yazabiliriz.
Vakum için ε = 1 ve N= 1. Herhangi bir fiziksel ortam için N> 1. Örneğin su için N= 1,33, cam için. Daha yüksek kırılma indisine sahip bir ortama optik olarak daha yoğun denir. Mutlak kırılma indislerinin oranı denir bağıl kırılma indeksi:
4. Işık dalgalarının frekansı çok yüksektir. Örneğin dalga boyuna sahip kırmızı ışık için.
Işık bir ortamdan diğerine geçtiğinde ışığın frekansı değişmez ancak hızı ve dalga boyu değişir.
Vakum için - ; çevre için - , o zaman
.
Dolayısıyla ortamdaki ışığın dalga boyu, vakumdaki ışığın dalga boyunun kırılma indisine oranına eşittir.
5. Çünkü ışık dalgalarının frekansı çok yüksektir 
o zaman gözlemcinin gözü bireysel titreşimleri ayırt etmez, ancak ortalama enerji akışlarını algılar. Bu yoğunluk kavramını ortaya çıkarır.
Yoğunluk dalga tarafından aktarılan ortalama enerjinin zaman periyoduna ve dalganın yayılma yönüne dik olan saha alanına oranıdır:
Dalga enerjisi genliğin karesiyle orantılı olduğundan (bkz. formül (3.25)), yoğunluk, genliğin karesinin ortalama değeriyle orantılıdır.
Işık yoğunluğunun özelliği, görsel duyumlara neden olma yeteneği dikkate alınarak, ışık akısı - F .
6. Işığın dalga doğası, örneğin girişim ve kırınım gibi olaylarda kendini gösterir.
Yük salınımlarının frekansında bir değişikliğe uğrayan elektromanyetik dalgaların radyasyonu, dalga boyunu değiştirir ve farklı özellikler kazanır. Bir kişi kelimenin tam anlamıyla elektromanyetik dalgalar yayan ve alan cihazlarla çevrilidir. Bunlar cep telefonları, radyo, televizyon yayınları, sağlık kurumlarındaki röntgen makineleri vb. İnsan vücudunun bile bir elektromanyetik alanı vardır ve çok ilginçtir ki her organın kendine ait radyasyon frekansı vardır. Yayılan yüklü parçacıklar birbirini etkileyerek titreşim frekansında ve enerji üretiminde bir değişikliğe neden olur ve bu hem yaratıcı hem de yıkıcı amaçlar için kullanılabilir.
Elektromanyetik radyasyon. Genel bilgi
Elektromanyetik radyasyon, elektrik ve manyetik alanların etkileşiminden kaynaklanan elektromanyetik salınımların yayılımının durumu ve yoğunluğundaki bir değişikliktir.
Elektromanyetik radyasyonun karakteristik özelliklerine ilişkin derinlemesine bir çalışma şu şekilde gerçekleştirilir:
- elektrodinamik;
- optik;
- radyofizik.
Elektromanyetik dalgaların emisyonu, enerjinin açığa çıktığı süreçte yüklerin salınımıyla yaratılır ve yayılır. Mekanik dalgalara benzer bir yayılma düzenine sahiptirler. Yüklerin hareketi hızlanma ile karakterize edilir; hızları zamanla değişir ve bu, elektromanyetik dalgaların yayılması için temel bir koşuldur. Dalganın gücü ivme kuvvetiyle doğrudan ilişkilidir ve onunla doğru orantılıdır.
Belirleyen göstergeler özellikler Elektromanyetik radyasyon:
- yüklü parçacıkların titreşim frekansı;
- yayılan akının dalga boyu;
- kutuplaşma.
Titreşime maruz kalan yüke en yakın olan elektrik alanı değişime uğrar. Bu değişiklikler için harcanan süre, yük salınımlarının süresine eşit olacaktır. Bir yükün hareketi, bir yay üzerinde asılı duran bir cismin salınımlarına benzetilebilir; tek fark, hareketin frekansıdır.
“Radyasyon” kavramı, kaynağından mümkün olduğu kadar uzağa koşan ve mesafe arttıkça yoğunluğunu kaybederek dalga oluşturan elektromanyetik alanları ifade eder.
Elektromanyetik dalgaların yayılması
Maxwell'in çalışmaları ve keşfettiği elektromanyetizma yasaları, araştırmanın dayandığı gerçeklerden çok daha fazla bilginin elde edilmesini mümkün kılıyor. Örneğin, elektromanyetizma yasalarına dayanan sonuçlardan biri, elektromanyetik etkileşimin sonlu bir yayılma hızına sahip olduğu sonucudur.
Uzun menzilli etki teorisini takip edersek, etkileyen kuvvetin olduğunu görürüz. elektrik şarjı Durağan durumda olan yük, komşu yükün konumu değiştiğinde performansı da değişiyor. Bu teoriye göre yük, kelimenin tam anlamıyla boşlukta kendi türünün varlığını "hisseder" ve anında eylemi devralır.
Kısa menzilli eylemin oluşturulan kavramları, olup bitenlere dair tamamen farklı bir görüşe sahiptir. Yük, hareket ederken alternatif bir elektrik alanına sahiptir ve bu da yakındaki alanda alternatif bir manyetik alanın ortaya çıkmasına katkıda bulunur. Bundan sonra alternatif manyetik alan, elektrikli bir alanın ortaya çıkmasına neden olur ve zincirde böyle devam eder.
Böylece, yükün uzaydaki konumunda bir değişiklik nedeniyle elektromanyetik alanda bir "bozulma" meydana gelir. Yayılıyor ve sonuç olarak etkiliyor mevcut alan, değiştiriyorum. Komşu yüke ulaşan “sarsıntı”, kendisine etki eden kuvvetin göstergelerinde değişiklikler yapar. Bu, ilk yükün yer değiştirmesinden bir süre sonra gerçekleşir.
Maxwell, elektromanyetik dalgaların yayılma prensibiyle tutkuyla ilgileniyordu. Harcanan zaman ve emek sonuçta başarı ile taçlandı. Bu sürecin sonlu bir hızının varlığını kanıtladı ve buna matematiksel bir gerekçe verdi.
Elektromanyetik alanın varlığının gerçekliği, sonlu bir "pertürbasyon" hızının varlığıyla doğrulanır ve atomlardan yoksun (vakum) uzaydaki ışığın hızına karşılık gelir.
Elektromanyetik radyasyon ölçeği
Evren, farklı radyasyon aralıklarına ve kökten farklı dalga boylarına sahip, birkaç on kilometreden bir santimetrenin önemsiz bir kısmına kadar değişebilen elektromanyetik alanlarla doludur. Dünyadan çok uzak mesafelerde bulunan nesneler hakkında bilgi almayı mümkün kılarlar.
James Maxwell'in elektromanyetik dalgaların uzunluk farkı hakkındaki açıklamasına dayanarak, uzayda alternatif bir manyetik alan oluşturan mevcut frekans aralıklarının ve radyasyon uzunluklarının sınıflandırılmasını içeren özel bir ölçek geliştirildi.
G. Hertz ve P. N. Lebedev, çalışmalarında Maxwell'in ifadelerinin doğruluğunu deneysel olarak kanıtladılar ve ışık radyasyonunun, atomların ve moleküllerin doğal titreşimiyle oluşan, kısa uzunlukla karakterize edilen elektromanyetik alan dalgaları olduğu gerçeğini kanıtladılar.
Aralıklar arasında keskin geçişler yoktur ancak net sınırları da yoktur. Radyasyonun frekansı ne olursa olsun, ölçekteki tüm noktalar, yüklü parçacıkların konumlarındaki değişiklikler nedeniyle ortaya çıkan elektromanyetik dalgaları tanımlar. Yüklerin özellikleri dalga boyundan etkilenir. Göstergeleri değiştiğinde yansıtıcı, delici yetenekler, görünürlük düzeyi vb. değişir.
Elektromanyetik dalgaların karakteristik özellikleri, onlara hem boşlukta hem de maddeyle dolu uzayda serbestçe yayılma fırsatı verir. Uzayda hareket ederken radyasyonun davranışını değiştirdiğine dikkat edilmelidir. Boşlukta radyasyonun yayılma hızı değişmez çünkü salınımların frekansı dalga boyuna sıkı sıkıya bağlıdır.
Farklı aralıklardaki elektromanyetik dalgalar ve özellikleri
Elektromanyetik dalgalar şunları içerir:
- Düşük frekanslı dalgalar. 100 kHz'den fazla olmayan bir salınım frekansı ile karakterize edilir. Bu aralık çalışmak için kullanılır elektrikli aletler ve motorlar, örneğin mikrofon veya hoparlör, telefon ağlarının yanı sıra radyo yayıncılığı, film endüstrisi vb. Alanlarda. Düşük frekanslı dalgalar, daha yüksek salınım frekansına sahip olanlardan farklıdır; yayılma hızındaki gerçek azalma orantılıdır. ile kare kök onların frekansları. Lodge ve Tesla, düşük frekanslı dalgaların keşfine ve incelenmesine önemli katkılarda bulundu.
- Radyo dalgaları. Hertz'in 1886'da radyo dalgalarını keşfetmesi, dünyaya kablo kullanmadan bilgi aktarma yeteneği kazandırdı. Bir radyo dalgasının uzunluğu onun yayılmasının doğasını etkiler. Ses dalgalarının frekansları gibi, alternatif akım nedeniyle ortaya çıkarlar (radyo iletişimi sürecinde, alternatif akım alıcıya - antene akar). Yüksek frekanslı radyo dalgaları, radyo dalgalarının çevredeki alana önemli ölçüde yayılmasına katkıda bulunur, bu da uzun mesafelerde (radyo, televizyon) bilgi iletmek için eşsiz bir fırsat sağlar. Bu tür mikrodalga radyasyonu hem uzayda hem de günlük yaşamda iletişim için kullanılır. Örneğin radyo dalgaları yayan bir mikrodalga fırın ev hanımları için iyi bir yardımcı haline geldi.
- Kızılötesi radyasyon (“termal” olarak da adlandırılır). Elektromanyetik radyasyon ölçeğinin sınıflandırmasına göre, kızılötesi radyasyonun yayılma bölgesi radyo dalgalarından sonra ve görünür ışıktan önce bulunur. Kızılötesi dalgalar, ısı yayan tüm cisimler tarafından yayılır. Bu tür radyasyon kaynaklarına örnek olarak sobalar, sudan ısı transferine dayalı olarak ısıtma için kullanılan piller ve akkor lambalar gösterilebilir. Bugüne kadar geliştirilen özel cihazlar Bu, ısının yayıldığı nesneleri tamamen karanlıkta görmenizi sağlar. Yılanların göz bölgesinde böyle doğal ısı algılama sensörleri bulunur. Bu onların avını takip etmelerine ve geceleri avlanmalarına olanak tanır. Bir kişi, örneğin binaları ısıtmak, sebzeleri ve ahşabı kurutmak, askeri işler alanında (örneğin gece görüş cihazları veya termal görüntüleme cihazları), bir ses merkezini veya TV'yi ve diğer cihazları kablosuz olarak kontrol etmek için kızılötesi radyasyon kullanır. uzaktan kumanda.
- Görülebilir ışık. Kırmızıdan mora kadar bir ışık spektrumuna sahiptir ve ana göz olan insan gözü tarafından algılanır. ayırt edici özellik. Farklı dalga boylarında yayılan renk, insanın görsel algı sistemi üzerinde elektrokimyasal etkiye sahiptir ancak bu aralıktaki elektromanyetik dalgaların özelliklerine dahil değildir.
- Morötesi radyasyon. İnsan gözü tarafından algılanmaz ve mor ışığın dalga boyundan daha kısa bir dalga boyuna sahiptir. Küçük dozlarda ultraviyole ışınları neden olur iyileştirici etki D vitamini üretimini teşvik eder, bakteri yok edici etkiye sahiptir ve merkezi olarak olumlu bir etkiye sahiptir. gergin sistem. Ortamın ultraviyole ışınlarla aşırı doyması hasara neden olur deri ve retinanın zarar görmesi nedeniyle göz doktorları yaz aylarında güneş gözlüğü kullanılmasını önermektedir. Ultraviyole radyasyon tıpta kullanılır (ultraviyole ışınlar kuvars lambalar), banknotların orijinalliğini doğrulamak, diskolarda eğlence amaçlı (bu tür aydınlatmalar açık renkli malzemelerin parlamasına neden olur) ve ayrıca gıda ürünlerinin uygunluğunu belirlemek için.
- X-ışını radyasyonu. Bu tür dalgalar insan gözüyle görülemez. Görünür ışık ışınlarının erişemediği güçlü emilimi önleyerek, madde katmanlarına nüfuz etme gibi şaşırtıcı bir özelliğe sahiptirler. Radyasyon belirli kristal türlerinin parlamasına neden olur ve fotoğraf filmini etkiler. Tıp alanında hastalıkların teşhisinde kullanılır iç organlar ve belirli bir hastalık listesinin tedavisi için, test için dahili cihaz kusurlu ürünler ve ekipmandaki kaynaklar.
- Gama radyasyonu. Bir atomun çekirdeği tarafından yayılan en kısa dalga boyuna sahip elektromanyetik radyasyon. Dalga boyunun azaltılması kalite göstergelerinde değişikliklere yol açar. Gama radyasyonu, X ışınlarından kat kat daha fazla nüfuz etme gücüne sahiptir. Geçebilir beton duvar bir metre kalınlığında ve hatta birkaç santimetre kalınlığındaki kurşun bariyerlerin içinden geçiyor. Maddelerin parçalanması veya birleşme sırasında bir salınım meydana gelir Kurucu unsurlar radyasyon adı verilen atom. Bu tür dalgalar şu şekilde sınıflandırılır: radyoaktif radyasyon. Bir nükleer savaş başlığı patladığında, gama ışınları ile nötronlar arasındaki reaksiyonun ürünü olan kısa bir süre için bir elektromanyetik alan oluşur. Aynı zamanda ana unsur nükleer silahlar Zarar verici etkiye sahip olan radyo elektroniklerinin, kablolu iletişimin ve güç kaynağı sağlayan sistemlerin çalışmasını tamamen bloke eder veya bozar. Ayrıca nükleer bir silah patladığında çok fazla enerji açığa çıkar.
sonuçlar
Belirli bir uzunluğa sahip ve belirli bir dalgalanma aralığında olan bir elektromanyetik alanın dalgaları her ikisine de sahip olabilir. olumlu etki insan vücudu ve uyum düzeyi hakkında çevre yardımcıların geliştirilmesi sayesinde elektrikli ev aletleri insan sağlığına ve çevreye olumsuz ve hatta yıkıcı etkilerinin yanı sıra.
Elektromanyetik dalgalar dalga boyu λ veya ilgili dalga frekansına göre sınıflandırılır F. Bu parametrelerin yalnızca dalgayı değil aynı zamanda elektromanyetik alanın kuantum özelliklerini de karakterize ettiğini unutmayın. Buna göre ilk durumda elektromanyetik dalga bu derste incelenen klasik yasalarla açıklanmaktadır.
Elektromanyetik dalgaların spektrumu kavramını ele alalım. Elektromanyetik dalgaların spektrumu doğada var olan elektromanyetik dalgaların frekans bandıdır.
Artan frekans sırasına göre elektromanyetik radyasyon spektrumu:
Elektromanyetik spektrumun farklı kısımları, spektrumun bir veya başka bir kısmına ait dalgaları yayma ve alma biçimleri bakımından farklılık gösterir. Bu nedenle elektromanyetik spektrumun farklı bölümleri arasında keskin sınırlar yoktur, ancak her aralık kendi özellikleri ve doğrusal ölçek ilişkileriyle belirlenen yasalarının yaygınlığı tarafından belirlenir.
Radyo dalgaları klasik elektrodinamik tarafından incelenir. Kızılötesi ışık ve ultraviyole radyasyon hem klasik optik hem de kuantum fiziği tarafından incelenmektedir. X-ışını ve gama radyasyonu kuantum ve nükleer fizikte incelenir.
Elektromanyetik dalgaların spektrumunu daha ayrıntılı olarak ele alalım.
Düşük frekanslı dalgalar
Düşük frekanslı dalgalar, salınım frekansı 100 kHz'i aşmayan elektromanyetik dalgalardır. Elektrik mühendisliğinde geleneksel olarak kullanılan bu frekans aralığıdır. Endüstriyel enerji mühendisliğinde, elektrik enerjisinin hatlar üzerinden iletildiği ve voltajın transformatör cihazları tarafından dönüştürüldüğü 50 Hz frekans kullanılır. Havacılık ve kara taşımacılığında ağırlık avantajı sağlayan 400 Hz sıklıkla kullanılıyor elektrikli makineler ve transformatörler 50 Hz frekansına kıyasla 8 kat daha fazladır. En yeni nesil anahtarlamalı güç kaynakları dönüşüm frekanslarını kullanır alternatif akım birimleri ve onlarca kHz'dir, bu da onları kompakt ve enerji açısından zengin kılar.
Düşük frekans aralığı ile yüksek frekanslar arasındaki temel fark, elektromanyetik dalgaların frekansının kareköküyle orantılı olarak 100 kHz'de 300 bin km/s'den 50 Hz'de yaklaşık 7 bin km/s'ye düşmesidir.
Radyo dalgaları
Radyo dalgaları, dalga boyları 1 mm'den büyük (frekans 3 10 11 Hz = 300 GHz'den az) ve 3 km'den az (100 kHz'in üzerinde) olan elektromanyetik dalgalardır.
Radyo dalgaları ikiye ayrılır:
1. Uzunluğu 3 km ile 300 m arasında olan uzun dalgalar (frekans 10 5 Hz - 10 6 Hz = 1 MHz aralığında);
2. Uzunluğu 300 m ile 100 m arasında olan orta dalgalar (frekans 10 6 Hz -3*10 6 Hz = 3 MHz aralığında);
3. 100m ila 10m dalga boyu aralığındaki kısa dalgalar (frekans 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz aralığında);
4. Dalga boyu 10 m'den az olan ultra kısa dalgalar (frekans 310 7 Hz = 30 MHz'den büyük).
Ultra kısa dalgalar ise şu şekilde ayrılır:
A) metre dalgaları;
B) santimetre dalgalar;
B) milimetre dalgaları;
Dalga boyu 1 m'den (frekansı 300 MHz'den az) küçük olan dalgalara mikrodalga veya ultra yüksek frekanslı dalgalar (mikrodalga dalgaları) adı verilir.
Radyo aralığının dalga boylarının atomların boyutuna kıyasla büyük olması nedeniyle, radyo dalgalarının yayılımı ortamın atomik yapısı dikkate alınmadan düşünülebilir; Maxwell'in teorisini oluştururken alışılmış olduğu gibi fenomenolojik olarak. Radyo dalgalarının kuantum özellikleri yalnızca spektrumun kızılötesi kısmına bitişik en kısa dalgalar için ve sözde yayılım sırasında ortaya çıkar. atomların ve moleküllerin içindeki elektron salınımlarının zamanıyla karşılaştırılabilecek, 10 -12 saniye - 10 -15 saniye civarında bir süreye sahip ultra kısa darbeler.
Radyo dalgaları ile yüksek frekanslar arasındaki temel fark, dalga taşıyıcının (eter) 1 mm'ye (2,7°K) eşit dalga boyu ile bu ortamda yayılan elektromanyetik dalga arasındaki farklı termodinamik ilişkidir.
Radyo dalgası radyasyonunun biyolojik etkileri
Radar teknolojisinde güçlü radyo dalgası radyasyonunun kullanılmasına ilişkin korkunç fedakarlık deneyimi, radyo dalgalarının dalga boyuna (frekansa) bağlı olarak spesifik etkisini gösterdi.
Açık insan vücudu Yıkıcı etki, ortalama güçten çok, protein yapılarında geri dönüşü olmayan olayların meydana geldiği tepe radyasyon gücü tarafından uygulanır. Örneğin, bir mikrodalga fırının (mikrodalga) magnetronundan gelen 1 kW tutarındaki sürekli radyasyonun gücü, yalnızca fırının küçük kapalı (korumalı) hacmindeki yiyecekleri etkiler ve yakındaki bir kişi için neredeyse güvenlidir. 1000:1 görev döngüsüne (tekrar periyodunun darbe süresine oranı) ve buna göre 1 MW darbe gücüne sahip kısa darbeler tarafından yayılan 1 kW ortalama güce sahip bir radar istasyonunun (radar) gücü, Vericiden yüzlerce metreye kadar olan mesafe insan sağlığı ve yaşamı açısından oldukça tehlikelidir. İkincisinde elbette radar radyasyonunun yönü de bir rol oynar, bu da ortalama güçten ziyade darbeli gücün yıkıcı etkisini vurgular.
Metre dalgalarına maruz kalma
Darbe gücü bir megavattan (P-16 erken uyarı istasyonu gibi) daha fazla olan ve insan ve hayvanların omurilik uzunluğuyla orantılı olan sayaç radar istasyonlarının (radarlar) puls üreteçleri tarafından yayılan yüksek yoğunluklu sayaç dalgaları, Akson uzunluğunun yanı sıra bu yapıların iletkenliğini de bozarak diensefalik sendroma (HF hastalığı) neden olur. İkincisi, tam veya kısmi (alınan radyasyon dozuna bağlı olarak) bir kişinin uzuvlarının geri dönüşü olmayan felcinin hızlı bir şekilde gelişmesine (birkaç aydan birkaç yıla kadar) ve ayrıca bağırsakların innervasyonunun bozulmasına yol açar. diğer iç organlar.
Desimetre dalgalarının etkisi
Desimetre dalgaları, dalga boyu bakımından akciğerler, karaciğer ve böbrekler gibi insan ve hayvan organlarını kapsayan kan damarlarıyla karşılaştırılabilir. Bu organlarda “iyi huylu” tümörlerin (kistlerin) oluşmasına neden olmalarının nedenlerinden biri de budur. Kan damarlarının yüzeyinde gelişen bu tümörler, normal kan dolaşımının durmasına ve organ fonksiyonlarının bozulmasına yol açar. Bu tür tümörler zamanında cerrahi olarak çıkarılmazsa vücudun ölümü meydana gelir. Tehlikeli yoğunluk seviyelerindeki desimetre dalgaları, P-15 mobil hava savunma radarı gibi radarların magnetronları ve bazı uçakların radarları tarafından yayılır.
Santimetrelik dalgalara maruz kalma
Güçlü santimetre dalgaları, insanlarda ve hayvanlarda lösemi - "beyaz kan" gibi hastalıkların yanı sıra diğer kötü huylu tümör türlerine neden olur. Bu hastalıkların ortaya çıkması için yeterli yoğunluktaki dalgalar, P-35, P-37 santimetre menzilli radarlar ve neredeyse tüm uçak radarları tarafından üretilmektedir.
Kızılötesi, ışık ve ultraviyole radyasyon
Kızılötesi, ışık, ultraviyole radyasyon miktarları elektromanyetik dalga spektrumunun optik bölgesi kelimenin geniş anlamıyla. Bu spektrum, 2·10 -6 m = 2 μm ila 10 -8 m = 10 nm aralığındaki elektromanyetik dalga boyları aralığını kaplar (frekans 1,5·10·14 Hz ila 3·10·16 Hz arası). Optik aralığın üst sınırı, kızılötesi aralığın uzun dalga sınırı, alt sınırı ise ultraviyole ışının kısa dalga sınırı tarafından belirlenir (Şekil 2.14).
Listelenen dalgaların spektral bölgelerinin yakınlığı, bunları incelemek için kullanılan yöntem ve araçların benzerliğini belirledi ve pratik uygulama. Tarihsel olarak, çeşitli optik cihazlarda (interferometreler, polarizörler, modülatörler vb.) yer alan mercekler, kırınım ızgaraları, prizmalar, diyaframlar ve optik olarak aktif maddeler bu amaçlar için kullanılmıştır.
Öte yandan, spektrumun optik bölgesinden gelen radyasyon, hem optik cihazların hem de optik sinyal yayılım kanallarının hesaplamaları ve yapımında yaygın olarak kullanılan, geometrik optikler kullanılarak elde edilebilen çeşitli ortamların genel iletim modellerine sahiptir. Kızılötesi radyasyon birçok eklembacaklı (böcekler, örümcekler vb.) ve sürüngenler (yılanlar, kertenkeleler vb.) tarafından görülebilir. yarı iletken sensörler (kızılötesi fotodiziler) tarafından erişilebilir, ancak Dünya atmosferinin kalınlığı tarafından iletilmez. izin vermiyor Galaksideki tüm yıldızların% 90'ından fazlasını oluşturan kızılötesi yıldızları - "kahverengi cüceler" Dünya'nın yüzeyinden gözlemleyin.
Optik aralığın frekans genişliği yaklaşık 18 oktavdır ve optik aralık yaklaşık olarak bir oktava karşılık gelir (); ultraviyole için - 5 oktav ( 
), kızılötesi radyasyon - 11 oktav (
Spektrumun optik kısmında maddenin atomik yapısından kaynaklanan olaylar önem kazanmaktadır. Bu nedenle optik radyasyonun dalga özelliklerinin yanı sıra kuantum özellikleri de ortaya çıkar.
Işık
|
Işık, ışık, görünür radyasyon- elektromanyetik radyasyonun optik spektrumunun insanların ve primatların gözleri tarafından görülebilen kısmı, 400 nanometre ila 780 nanometre aralığındaki elektromanyetik dalga boyları aralığını kaplar, yani bir oktavdan az - frekansta iki kat değişiklik.
Pirinç. 1.14. Elektromanyetik dalga ölçeği Işık spektrumundaki renklerin sırasına ilişkin sözel hafıza memi: |
X-ışını ve gama radyasyonu
X-ışını ve gama radyasyonu alanında radyasyonun kuantum özellikleri ön plana çıkmaktadır.
X-ışını radyasyonu hızlı yüklü parçacıklar (elektronlar, protonlar vb.) yavaşladığında ve ayrıca atomların elektronik kabuklarında meydana gelen süreçlerin bir sonucu olarak ortaya çıkar.
Gama radyasyonu, atom çekirdeklerinde meydana gelen olayların yanı sıra nükleer reaksiyonların bir sonucudur. X-ışını ve gama radyasyonu arasındaki sınır, geleneksel olarak, belirli bir radyasyon frekansına karşılık gelen enerji kuantumunun değeri ile belirlenir.
X-ışını radyasyonu, 20 eV'den 1 MeV'ye kadar bir kuantum enerjisine karşılık gelen, 50 nm'den 10-3 nm'ye kadar uzunluktaki elektromanyetik dalgalardan oluşur.
Gama radyasyonu, 0,1 MeV'den daha büyük bir kuantum enerjisine karşılık gelen, 10-2 nm'den daha düşük dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalardan oluşur.
Işığın elektromanyetik doğası
Işık, dalga boyları 0,4 µm ila 0,76 µm aralığını kaplayan elektromanyetik dalgaların spektrumunun görünür kısmıdır. Optik radyasyonun her spektral bileşeni atanabilir belirli renk. Optik radyasyonun spektral bileşenlerinin rengi, dalga boylarına göre belirlenir. Dalga boyu azaldıkça radyasyonun rengi şu şekilde değişir: kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, camgöbeği, çivit mavisi, mor.
Kırmızı ışık karşılık gelir en uzun uzunluk dalgalar spektrumun kırmızı sınırını belirler. Mor ışık - menekşe sınırına karşılık gelir.
Doğal (gün ışığı, güneş ışığı) ışık renkli değildir ve her şeyden gelen elektromanyetik dalgaların üst üste binmesini temsil eder. insanlar tarafından görülebilir spektrum Doğal ışık, uyarılmış atomların elektromanyetik dalga yayması sonucu oluşur. Uyarma doğası farklı olabilir: termal, kimyasal, elektromanyetik vb. Uyarma sonucunda atomlar yaklaşık 10-8 saniye boyunca rastgele elektromanyetik dalgalar yayar. Atomların uyarılmasının enerji spektrumu oldukça geniş olduğundan, başlangıç fazı, yönü ve polarizasyonu rastgele olan görünür spektrumun tamamından elektromanyetik dalgalar yayılır. Bu nedenle doğal ışık polarize değildir. Bu, karşılıklı dik polarizasyonlara sahip doğal ışığın elektromanyetik dalgalarının spektral bileşenlerinin "yoğunluğunun" aynı olduğu anlamına gelir.
Işık aralığındaki harmonik elektromanyetik dalgalara denir tek renkli. Tek renkli bir ışık dalgası için ana özelliklerden biri yoğunluktur. Işık dalgası yoğunluğu dalga tarafından aktarılan enerji akısı yoğunluğunun (1,25) ortalama değerini temsil eder:
Poynting vektörü nerede.
Dielektrik ve manyetik geçirgenliğe sahip homojen bir ortamda elektrik alan genliğine sahip bir ışık, düzlem, monokromatik dalganın yoğunluğunun (1.30) ve (1.32) dikkate alınarak formül (1.35) kullanılarak hesaplanması şunu verir:
Geleneksel olarak optik olaylar ışınlar kullanılarak değerlendirilir. Işınları kullanan optik olayların tanımına denir geometrik-optik. Geometrik optikte geliştirilen ışın yörüngelerini bulma kuralları, pratikte optik olayların analizinde ve çeşitli optik cihazların yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Işık dalgalarının elektromanyetik temsiline dayanarak bir ışın tanımlayalım. Her şeyden önce ışınlar, elektromanyetik dalgaların yayıldığı çizgilerdir. Bu nedenle ışın, her noktasında bir elektromanyetik dalganın ortalama Poynting vektörünün bu çizgiye teğet olarak yönlendirildiği bir çizgidir.
Homojen izotropik ortamda, ortalama Poynting vektörünün yönü dalga yüzeyine (eş fazlı yüzey) normalle çakışır; dalga vektörü boyunca.
Böylece, homojen izotropik ortamda ışınlar, elektromanyetik dalganın karşılık gelen dalga cephesine diktir.
Örneğin, noktasal tek renkli bir ışık kaynağından yayılan ışınları düşünün. Geometrik optik açısından bakıldığında, birçok ışın kaynak noktasından radyal yönde yayılır. Işığın elektromanyetik özünün konumundan, kaynak noktasından küresel bir elektromanyetik dalga yayılır. Kaynaktan yeterince uzak bir mesafede, yerel küresel dalganın düz olduğu düşünüldüğünde dalga cephesinin eğriliği ihmal edilebilir. Dalga cephesinin yüzeyini çok sayıda yerel olarak düz bölümlere bölerek, her bölümün merkezinden boyunca bir düzlem dalganın yayıldığı bir normal çizmek mümkündür; geometrik-optik yorumlama ışınında. Dolayısıyla her iki yaklaşım da ele alınan örneğin aynı tanımını verir.
Geometrik optiğin asıl görevi ışının yönünü (yörünge) bulmaktır. Yörünge denklemi, sözde minimumu bulma varyasyon problemini çözdükten sonra bulunur. İstenilen yörüngelerde eylemler. Bu problemin kesin formülasyonu ve çözümünün ayrıntılarına girmeden, ışınların toplam optik uzunluğu en kısa olan yörüngeler olduğunu varsayabiliriz. Bu ifade Fermat ilkesinin bir sonucudur.
Işın yörüngesini belirlemeye yönelik değişken yaklaşım aynı zamanda homojen olmayan ortamlara da uygulanabilir; kırılma indisinin ortamdaki noktaların koordinatlarının bir fonksiyonu olduğu bu tür ortamlar. Homojen olmayan bir ortamda dalga cephesinin yüzeyinin şeklini bir fonksiyonla tanımlarsak, bu, eikonal denklem olarak bilinen kısmi diferansiyel denklemin çözümüne ve analitik mekanikte Hamilton-Jacobi olarak bulunabilir. denklem:
Bu nedenle, elektromanyetik teorinin geometrik-optik yaklaşımının matematiksel temeli, eikonal denklemi temel alarak veya başka bir şekilde ışınlar üzerindeki elektromanyetik dalgaların alanlarını belirlemek için çeşitli yöntemlerden oluşur. Geometrik-optik yaklaşım, radyo elektroniğinde sözde hesaplamak için pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. yarı optik sistemler.
Sonuç olarak, Maxwell denklemlerini çözerek ve yönleri parçacıkların hareketini tanımlayan Hamilton-Jacobi denklemlerinden belirlenen ışınları kullanarak ışığı hem dalga konumlarından aynı anda tanımlama yeteneğinin, görünenin tezahürlerinden biri olduğunu not ediyoruz. Bilindiği gibi kuantum mekaniğinin mantıksal olarak çelişkili ilkelerinin formüle edilmesine yol açan ışık dualizmi.
Aslında elektromanyetik dalgaların doğasında düalizm yoktur. Max Planck'ın 1900 yılında "Normal Radyasyon Spektrumu Üzerine" adlı klasik çalışmasında gösterdiği gibi, elektromanyetik dalgalar, frekansa sahip bireysel nicemlenmiş salınımlardır. v ve enerji E=hv, Nerede h =sabit, havada. İkincisi, ölçümde kararlı bir süreksizlik özelliğine sahip olan süperakışkan bir ortamdır. H- Planck sabiti. Eter aşırı enerjiye maruz kaldığında hv Radyasyon sırasında nicelenmiş bir “girdap” oluşur. Tam olarak aynı fenomen, tüm süperakışkan ortamlarda ve içlerinde fononların oluşumunda - ses radyasyonunun kuantumunda - gözlenir.
Max Planck'ın 1900'deki keşfi ile Heinrich Hertz'in 1887'de keşfettiği fotoelektrik etkinin "kopyala-yapıştır" kombinasyonu nedeniyle, 1921'de Nobel Komitesi ödülü Albert Einstein'a verdi.
1) Bir oktav, tanımı gereği, keyfi bir frekans w ile onun 2w'ye eşit ikinci harmoniği arasındaki frekans aralığıdır.
2. Görecelikte "ışık", belirli bir fiziksel ortamın bozulması olan fiziksel bir dalga değil, başlı başına efsanevi bir olgudur. Göreceli "ışık", hiçliğin, hiçliğin heyecanıdır. Titreşimleri taşıyabilecek bir ortama sahip değildir.
3. Görecelikte zamanla manipülasyonlar (yavaşlama) mümkündür, bu nedenle herhangi bir bilim için temel olan nedensellik ilkeleri ve katı mantık ilkesi ihlal edilir. Rölativizmde ışık hızında zaman durur (bu nedenle fotonun frekansından bahsetmek saçmadır). Görecilikte, ışık altı hızda hareket eden ikizlerin yaşının karşılıklı olarak fazla olduğu iddiası ve herhangi bir dinin doğasında var olan mantıkla ilgili diğer alaylar gibi zihne yönelik bu tür şiddet mümkündür.
