Шкала электромагнитных волн. Электромагнитные волны

Электромагнитные волны (таблица которых будет приведена ниже) представляют собой возмущения магнитных и электрических полей, распределяющиеся в пространстве. Их существует несколько типов. Изучением этих возмущений занимается физика. Электромагнитные волны образуются из-за того, что электрическое переменное поле порождает магнитное, а оно, в свою очередь, порождает электрическое.

История исследований

Первые теории, которые можно считать самыми старыми вариантами гипотез об электромагнитных волнах, относятся как минимум к временам Гюйгенса. В тот период предположения достигли выраженного количественного развития. Гюйгенс в 1678-м году выпустил в некотором роде "набросок" теории - "Трактат о свете". В 1690-м он же издал другой замечательный труд. В нем была изложена качественная теория отражения, лучепреломления в том виде, в котором она и сегодня представлена в школьных учебниках ("Электромагнитные волны", 9 класс).

Вместе с этим был сформулирован принцип Гюйгенса. С его помощью появилась возможность изучать движение фронта волны. Этот принцип впоследствии нашел свое развитие в трудах Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля имел особую значимость в теории дифракции и волновой теории света.

В 1660-1670-е годы большой экспериментальный и теоретический вклад внесли в исследования Гук и Ньютон. Кто открыл электромагнитные волны? Кем были проведены опыты, доказывающие их существование? Какие существуют виды электромагнитных волн? Об этом далее.

Обоснование Максвелла

Прежде чем говорить о том, кто открыл электромагнитные волны, следует сказать, что первым ученым, который вообще предсказал их существование, стал Фарадей. Свою гипотезу он выдвинул в 1832-м году. Построением теории впоследствии занимался Максвелл. К 1865-му году он завершил эту работу. В результате Максвелл строго оформил теорию математически, обосновав существование рассматриваемых явлений. Им же была определена скорость распространения электромагнитных волн, совпадавшая с применявшимся тогда значением световой скорости. Это, в свою очередь, позволило ему обосновать гипотезу о том, что свет является одним из типов рассматриваемых излучений.

Экспериментальное обнаружение

Теория Максвелла нашла свое подтверждение в опытах Герца в 1888-м году. Здесь следует сказать, что немецкий физик проводил свои эксперименты, чтобы опровергнуть теорию, несмотря на ее математическое обоснование. Однако благодаря своим опытам Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны практически. Кроме того, в ходе своих экспериментов ученый выявил свойства и характеристики излучений.

Электромагнитные колебания и волны Герц получал за счет возбуждения серии импульсов быстропеременного потока в вибраторе при помощи источника повышенного напряжения. Высокочастотные потоки можно обнаружить при помощи контура. Частота колебаний при этом будет тем выше, чем выше его емкость и индуктивность. Но при этом большая частота не является гарантией интенсивного потока. Для проведения своих опытов Герц применил достаточно простое устройство, которое сегодня так и называют - "вибратор Герца". Приспособление представляет собой колебательный контур открытого типа.

Схема опыта Герца

Регистрация излучений осуществлялась при помощи приемного вибратора. Это устройство имело такую же конструкцию, что и излучающий прибор. Под влиянием электромагнитной волны электрического переменного поля в приемном устройстве происходило возбуждение токового колебания. Если в этом приборе его собственная частота и частота потока совпадали, то появлялся резонанс. В результате возмущения в приемном устройстве происходили с большей амплитудой. Обнаруживал их исследователь, наблюдая искорки между проводниками в небольшом промежутке.

Таким образом, Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны, доказал их способность хорошо отражаться от проводников. Им было практически обосновано образование стоячего излучения. Кроме того, Герц определил скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.

Изучение характеристик

Электромагнитные волны распространяются почти во всех средах. В пространстве, которое заполнено веществом, излучения могут в ряде случаев распределяться достаточно хорошо. Но при этом они несколько изменяют свое поведение.

Электромагнитные волны в вакууме определяются без затуханий. Они распределяются на любое, сколь угодно большое расстояние. К основным характеристикам волн относят поляризацию, частоту и длину. Описание свойств осуществляется в рамках электродинамики. Однако характеристиками излучений некоторых областей спектра занимаются более конкретные разделы физики. К ним, например, можно отнести оптику.

Исследованием жесткого электромагнитного излучения коротковолнового спектрального конца занимается раздел высоких энергий. С учетом современных представлений динамика перестает являться самостоятельной дисциплиной и объединяется со в одной теории.

Теории, применяемые при изучении свойств

Сегодня существуют различные методы, способствующие моделированию и исследованию проявлений и свойств колебаний. Наиболее фундаментальной из проверенных и завершенных теорий считается квантовая электродинамика. Из нее посредством тех или других упрощений становится возможным получить перечисленные ниже методики, которые широко используются в различных сферах.

Описание относительно низкочастотного излучения в макроскопической среде осуществляется при помощи классической электродинамики. Она основана на уравнениях Максвелла. При этом в прикладных применениях существуют упрощения. При оптическом изучении используется оптика. Волновая теория применяется в случаях, когда некоторые части оптической системы по размерам приближены к длинам волн. Квантовая оптика используется, когда существенными являются процессы рассеяния, поглощения фотонов.

Геометрическая оптическая теория - предельный случай, при котором допускается пренебрежение длиной волны. Также существует несколько прикладных и фундаментальных разделов. К ним, к примеру, относят астрофизику, биологию зрительного восприятия и фотосинтеза, фотохимию. Как классифицируются электромагнитные волны? Таблица, наглядно изображающая распределение на группы, представлена далее.

Классификация

Существуют частотные диапазоны электромагнитных волн. Между ними не существует резких переходов, иногда они перекрывают друг друга. Границы между ними достаточно условны. В связи с тем, что поток распределяется непрерывно, частота жестко связывается с длиной. Ниже представлены диапазоны электромагнитных волн.

Ультракороткие излучения принято разделять на микрометровые (субмиллиметровые), миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые. Если электромагнитного излучения меньше метра, то ее принято называть колебанием сверхвысокой частоты (СВЧ).

Виды электромагнитных волн

Выше представлены диапазоны электромагнитных волн. Какие существуют виды потоков? Группа включает в себя гамма- и рентгеновские лучи. При этом следует сказать, что ионизировать атомы способен и ультрафиолет, и даже видимый свет. Границы, в которых находятся гамма- и рентгеновские потоки, определяются весьма условно. В качестве общей ориентировки принимаются пределы 20 эВ - 0.1 Мэв. Гамма-потоки в узком смысле испускаются ядром, рентгеновские - электронной атомной оболочкой в процессе выбивания с низколежащих орбит электронов. Однако данная классификация неприменима к жестким излучениям, генерируемым без участия ядер и атомов.

Рентгеновские потоки формируются при замедлении заряженных быстрых частиц (протонов, электронов и прочих) и вследствие процессов, которые происходят внутри атомных электронных оболочек. Гамма-колебания возникают в результате процессов внутри ядер атомов и при превращении элементарных частиц.

Радиопотоки

За счет большого значения длин рассмотрение этих волн допускается осуществлять, не учитывая атомистическое строение среды. В качестве исключения выступают лишь самые короткие потоки, которые примыкают к инфракрасной области спектра. В радиодиапазоне квантовые свойства колебаний проявляются достаточно слабо. Тем не менее их необходимо учитывать, например, при анализе молекулярных стандартов времени и частоты во время охлаждения аппаратуры до температуры в несколько кельвинов.

Квантовые свойства принимаются во внимание и при описании генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Радиопоток формируется во время движения переменного тока по проводникам соответствующей частоты. А проходящая электромагнитная волна в пространстве возбуждает соответствующий ей. Данное свойство применяется при конструировании антенн в радиотехнике.

Видимые потоки

Ультрафиолетовое и инфракрасное видимое излучение составляет в широком смысле слова так называемый оптический участок спектра. Выделение этой области обуславливается не только близостью соответствующих зон, но и аналогичностью приборов, используемых при исследовании и разработанных преимущественно во время изучения видимого света. К ним, в частности, относятся зеркала и линзы для фокусирования излучений, дифракционные решетки, призмы и прочие.

Частоты оптических волн сравнимы с таковыми у молекул и атомов, а длины их - с межмолекулярными расстояниями и молекулярными размерами. Поэтому существенными в этой области становятся явления, которые обусловлены атомистической структурой вещества. По той же причине свет вместе с волновыми обладает и квантовыми свойствами.

Возникновение оптических потоков

Самым известным источником является Солнце. Поверхность звезды (фотосфера) имеет температуру 6000° по Кельвину и излучает ярко-белый свет. Наивысшее значение непрерывного спектра располагается в "зеленой" зоне - 550 нм. Там же находится максимум зрительной чувствительности. Колебания оптического диапазона возникают при нагревании тел. Инфракрасные потоки поэтому также именуют тепловыми.

Чем сильнее происходит нагревание тела, тем выше частота, где располагается максимум спектра. При определенном повышении температуры наблюдается каление (свечение в видимом диапазоне). При этом сначала появляется красный цвет, затем желтый и далее. Создание и регистрация оптических потоков может происходить в биологических и химических реакциях, одна из которых применяется в фотографии. Для большинства существ, живущих на Земле, в качестве источника энергии выступает фотосинтез. Эта биологическая реакция протекает в растениях под влиянием оптического солнечного излучения.

Особенности электромагнитных волн

Свойства среды и источник оказывают влияние на характеристики потоков. Так устанавливается, в частности, временная зависимость полей, которая определяет тип потока. К примеру, при изменении расстояния от вибратора (при увеличении) радиус кривизны становится больше. В результате образуется плоская электромагнитная волна. Взаимодействие с веществом также происходит по-разному.

Процессы поглощения и излучения потоков, как правило, можно описывать при помощи классических электродинамических соотношений. Для волн оптической области и для жестких лучей тем более следует принимать во внимание их квантовую природу.

Источники потоков

Несмотря на физическую разницу, везде - в радиоактивном веществе, телевизионном передатчике, лампе накаливания - электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. Существует два основных типа источников: микроскопические и макроскопические. В первых происходит скачкообразный переход заряженных частиц с одного на другой уровень внутри молекул либо атомов.

Микроскопические источники испускают рентгеновское, гамма, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое, а в ряде случаев и длинноволновое излучение. В качестве примера последнего можно привести линию спектра водорода, которая соответствует волне в 21 см. Это явление имеет особое значение в радиоастрономии.

Источники макроскопического типа представляют собой излучатели, в которых свободными электронами проводников совершаются периодические синхронные колебания. В системах данной категории происходит генерация потоков от миллиметровых до самых длинных (в линиях электропередач).

Структура и сила потоков

С ускорением и изменяющиеся периодически токи оказывают воздействие друг на друга с определенными силами. Направление и их величина находятся в зависимости от таких факторов, как размеры и конфигурация области, в которой содержатся токи и заряды, их относительное направление и величина. Существенное влияние оказывают и электрические характеристики конкретной среды, а также изменения концентрации зарядов и распределения токов источника.

В связи с общей сложностью постановки задачи представить закон сил в виде единой формулы нельзя. Структура, называемая электромагнитным полем и рассматриваемая при необходимости в качестве математического объекта, определяется распределением зарядов и токов. Оно, в свою очередь, создается заданным источником при учете граничных условий. Условия определяются формой зоны взаимодействия и характеристиками материала. Если речь ведется о неограниченном пространстве, указанные обстоятельства дополняются. В качестве особого дополнительного условия в таких случаях выступает условие излучения. За счет него гарантируется "правильность" поведения поля на бесконечности.

Хронология изучения

Ломоносова в некоторых своих положениях предвосхищает отдельные постулаты теории электромагнитного поля: "коловратное" (вращательное) движение частиц, "зыблющаяся" (волновая) теория света, ее общность с природой электричества и т. д. Инфракрасные потоки были обнаружены в 1800 году Гершелем (английским ученым), а в следующем, 1801-м, Риттером был описан ультрафиолет. Излучение более короткого, нежели ультрафиолетовое, диапазона было открыто Рентгеном в 1895-м году, 8 ноября. Впоследствии оно получило название рентгеновского.

Влияние электромагнитных волн изучалось многими учеными. Однако первым, кто исследовал возможности потоков, сферу их применения, стал Наркевич-Иодко (белорусский научный деятель). Он изучил свойства потоков применительно к практической медицине. Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900-м году. В этот же период Планк проводил теоретические исследования свойств черного тела. В процессе изучения им была открыта квантовость процесса. Его труд стал началом развития Впоследствии было опубликовано несколько работ Планка и Эйнштейна. Их исследования привели к формированию такого понятия, как фотон. Это, в свою очередь, положило начало созданию квантовой теории электромагнитных потоков. Ее развитие продолжилось в трудах ведущих научных деятелей ХХ столетия.

Дальнейшие исследования и работы по квантовой теории электромагнитного излучения и взаимодействия его с веществом привели в итоге к образованию квантовой электродинамики в том виде, в котором она существует и сегодня. Среди выдающихся ученых, занимавшихся изучением данного вопроса, следует назвать, кроме Эйнштейна и Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонагу, Швингера, Фейнмана.

Заключение

Значение физики в современном мире достаточно велико. Практически все, что применяется сегодня в жизни человека, появилось благодаря практическому использованию исследований великих ученых. Открытие электромагнитных волн и их изучение, в частности, привели к созданию обычных, а впоследствии и мобильных телефонов, радиопередатчиков. Особое значение практическое применение таких теоретических знаний имеет в области медицины, промышленности, техники.

Такое широкое использование объясняется количественным характером науки. Все физические эксперименты опираются на измерения, сравнение свойств изучаемых явлений с имеющимися эталонами. Именно для этой цели в рамках дисциплины развит комплекс измерительных приборов и единиц. Ряд закономерностей является общим для всех существующих материальных систем. Так, например, законы сохранения энергии считаются общими физическими законами.

Науку в целом называют во многих случаях фундаментальной. Это связано, прежде всего, с тем, что прочие дисциплины дают описания, которые, в свою очередь, подчиняются законам физики. Так, в химии изучаются атомы, вещества, образованные из них, и превращения. Но химические свойства тел определяются физическими характеристиками молекул и атомов. Эти свойства описывают такие разделы физики, как электромагнетизм, термодинамика и прочие.

Излучение электромагнитных волн, подвергаясь смене частоты колебания зарядов, меняет длину волны и приобретает различные свойства. Человек буквально окружен устройствами, которым присуще излучение и прием электромагнитных волн. Это сотовые телефоны, радио, телевещание, рентген-аппараты в медучреждениях и т.д. Даже тело человека обладает электромагнитным полем и, что очень интересно, каждый орган имеет свою частоту излучения. Распространяющиеся излучаемые заряженные частицы воздействуют друг на друга, провоцируя смену частоты колебания и выработку энергии, что может быть использовано как в созидательных, так и в разрушительных целях.

Электромагнитное излучение. Общая информация

Электромагнитное излучение представляет собой изменение состояния и интенсивности распространения электромагнитных колебаний, вызванных взаимодействием электрического и магнитного полей.

Глубоким изучением свойств характерных для электромагнитных излучений занимаются:

• электродинамика;
• оптика;
• радиофизика.

Излучение электромагнитных волн создается и распространяется благодаря колебанию зарядов, в процессе чего выделяется энергия. Они обладают характером распространения, подобным механическим волнам. Движению зарядов присуще ускорение – с течением времени их скорость меняется, что является основополагающим условием для излучения электромагнитных волн. Мощность волны напрямую связана с силой ускорения и прямо пропорциональна ей.

Показатели, определяющие характерные особенности электромагнитного излучения:

• частота колебания заряженных частиц;
• длина волны излучаемого потока;
• поляризация.

Электрическое поле, которое находится наиболее близко к заряду, подверженному колебаниям, претерпевает изменения. Промежуток времени, затраченный на эти изменения, будет равен промежутку времени колебаний заряда. Движение заряда можно сравнить с колебаниями тела, подвешенного на пружине, разница лишь в частоте перемещения.

К понятию «излучение» относятся электромагнитные поля, которые устремляются как можно дальше от источника возникновения и теряют свою интенсивность с увеличением расстояния, образуя волну.

Распространение электромагнитных волн

Труды Максвелла и открытые им законы электромагнетизма позволяют извлечь значительно больше информации, нежели могут представить факты, на основе которых проводится исследование. Например, одним из выводов на основе законов электромагнетизма выступает заключение, что электромагнитное взаимодействие имеет конечную скорость распространения.

Если следовать теории дальнодействия, то получаем, что сила, которая оказывает воздействие на электрический заряд, находящийся в неподвижном состоянии, изменяет свои показатели при смене местоположения соседнего заряда. Согласно этой теории заряд буквально «ощущает» сквозь вакуум присутствие себе подобного и мгновенно перенимает действие.

Сформировавшиеся понятия о близкодействии имеют совершенно другой взгляд на происходящее. Заряд, перемещаясь, обладает переменным электрическим полем, которое, в свою очередь, способствует возникновению переменного магнитного поля в близлежащем пространстве. После чего переменное магнитное поле провоцирует возникновение электрического и так цепочкой далее.

Таким образом происходит «возмущение» электромагнитного поля, вызванное сменой места заряда в пространстве. Оно распространяется и, как результат, воздействует на существующее поле, изменяя его. Добравшись до соседнего заряда, «возмущение» вносит изменения в показатели силы, действующей на него. Происходит это спустя некоторое время после смещения первого заряда.

Вопросом принципа распространения электромагнитных волн увлеченно занимался Максвелл. Затраченное время и силы в итоге увенчались успехом. Он доказал наличие конечной скорости этого процесса и привел тому математическое обоснование.

Реальность существования электромагнитного поля подтверждается наличием конечной скорости «возмущения» и соответствует показателям скорости света в пространстве, лишенном атомов (вакууме).

Шкала электромагнитных излучений

Вселенная наполнена электромагнитными полями с разным диапазоном излучения и кардинально различающейся длиной волны, которая может варьироваться от нескольких десятков километров до ничтожной доли сантиметра. Они позволяют получать информацию об объектах, находящихся на огромных расстояниях от Земли.

На основе утверждения Джеймса Максвелла о разности длины электромагнитных волн была разработана специальная шкала, которая содержит классификацию диапазонов существующих частот и длин излучений, образующих переменное магнитное поле в пространстве.

В своих наработках Г. Герц и П. Н. Лебедев экспериментально доказали верность утверждений Максвелла и обосновали тот факт, что излучение света – это волны электромагнитного поля, характеризующиеся небольшой длиной, которые образуются путем естественной вибрации атомов и молекул.

Между диапазонами не наблюдается резких переходов, но они также не имеют четких границ. Какой бы ни была частота излучения, все пункты шкалы описывают электромагнитные волны, которые появляются благодаря изменению положения заряженных частиц. На свойства зарядов оказывает влияние длина волны. При изменении ее показателей изменяется отражающая, проникающая способности, уровень видимости и т.д.

Характерные особенности электромагнитных волн дают им возможность свободно распространяться как в вакууме, так и в пространстве, заполненном веществом. Нужно отметить, что, перемещаясь в пространстве, излучение меняет свое поведение. В пустоте скорость распространения излучения не меняется, потому частота колебаний жестко взаимосвязана с длиной волны.

Электромагнитные волны разных диапазонов и их свойства

К электромагнитным волнам относятся:

• Низкочастотные волны. Характеризуются частотой колебаний не более 100 КГц. Данный диапазон применяется для работы электрических устройств и двигателей, например, микрофона или громкоговорителя, телефонных сетей, а также в области радиовещания, киноиндустрии и др. Волны низкочастотного диапазона отличаются от тех, что обладают более высокой частотой колебаний, фактическим падением скорости распространения пропорционально квадратному корню их частоты. Весомый вклад в открытие и изучение низкочастотных волн сделали Лодж и Тесла.
• Радиоволны. Открытие Герцем радиоволн в 1886 г. подарило миру возможность передавать информацию, не используя провода. Длина радиоволны влияет на характер ее распространения. Они, подобно частотам звуковых волн, возникают благодаря переменному току (в процессе осуществления радиосвязи переменный ток протекает в приемник – антенну). Высокочастотная радиоволна способствует значительному испусканию радиоволн в окружающее пространство, что дает уникальную возможность передавать информацию на большие расстояния (радио, телевидение). Подобного рода сверхвысокочастотные излучения используются для осуществления связи в условиях космоса, а также в быту. Например, микроволновая СВЧ-печь, излучающая радиоволны, стала хорошей помощницей для хозяек.
• Инфракрасное излучение (еще называют «тепловое»). Согласно классификации шкалы электромагнитных излучений, область распространения инфракрасных излучений находится после радиоволн и перед видимым светом. Инфракрасные волны излучают все тела, испускающие тепло. Примерами источников таких излучений выступают печи, батареи, используемые для отопления, основанные на теплоотдаче воды, лампы накаливания. На сегодняшний день разработаны специальные устройства, которые позволяют увидеть в полной темноте предметы, от которых исходит тепло. Такими природными датчиками распознавания тепла в области глаз обладают змеи. Это позволяет им отслеживать добычу и охотиться ночью. Человек применяет инфракрасные излучения, например, для обогрева зданий, для сушки овощей, а также древесины, в области военного дела (например, приборы ночного видения или же тепловизоры), для беспроводного управления аудиоцентром или телевизором и другими устройствами с помощью пульта.
• Видимый свет. Обладает световым спектром от красного до фиолетового и воспринимается глазом человека, что является главной отличительной чертой. Цвет, излучаемый разной длиной волны, оказывает электрохимическое воздействие на систему визуального восприятия человека, но не входит в раздел свойств электромагнитных волн данного диапазона.
• Ультрафиолетовое излучение. Не фиксируется глазом человека и обладает длиной волны по значению меньше, нежели у фиолетового света. В небольших дозировках лучи ультрафиолета вызывают лечебный эффект, способствуют выработке витамина Д, осуществляют бактерицидное воздействие и положительно влияют на центральную нервную систему. Преизбыточная насыщенность окружающей среды ультрафиолетовыми лучами приводит к повреждению кожных покровов и разрушению сетчатки глаза, потому офтальмологи рекомендуют использование солнечных очков в летние месяцы. Ультрафиолетовое излучение применяют в медицине (лучи ультрафиолета используются для кварцевых ламп), для проверки подлинности денежных купюр, в развлекательных целях на дискотеках (подобное освещение заставляет светиться светлые материалы), а также для определения годности продуктов питания.
• Рентгеновское излучение. Такие волны не заметны для человеческого глаза. Они обладают удивительным свойством проникать сквозь слои вещества, избегая сильного поглощения, что недоступно лучам видимого света. Излучение способствует возникновению свечения некоторых разновидностей кристаллов и оказывает воздействие на фотографическую пленку. Используется в области медицины для диагностирования заболеваний внутренних органов и для лечения определенного списка болезней, для проверки внутреннего устройства изделий на предмет наличия дефектов, а также сварных швов в технике.
• Гамма-излучение. Наиболее коротковолновое электромагнитное излучение, испускающее ядра атома. Уменьшения длины волны приводит к изменениям качественных показателей. Гамма-излучение имеет проникающую способность, во много раз превышающую рентгеновские лучи. Может проходить сквозь бетонную стену толщиной один метр и даже сквозь свинцовые преграды толщиной в несколько сантиметров. В ходе распада веществ или единения происходит выброс составных элементов атома, что получило название радиация. Такие волны относят к списку радиоактивных излучений. При взрыве ядерной боеголовки на короткое время образуется электромагнитное поле, которое является продуктом реакции между лучами гамма-спектра и нейтронами. Оно же выступает основным элементом ядерного оружия, оказывающим поражающее воздействие, полностью блокирует или нарушает работу радиоэлектроники, проводной связи и систем, обеспечивающих электроснабжение. Также при взрыве ядерного оружия высвобождается много энергии.

Выводы

Волны электромагнитного поля, обладая определенной длиной и находясь в определенном диапазоне колебания, могут оказывать как положительные влияние на организм человека и его уровень адаптации к окружающей среде, благодаря разработке вспомогательных электрических приборов, так и отрицательное, и даже разрушающее воздействие на здоровье и среду обитания человека.

Владимирский областной
промышленно – коммерческий
лицей

р е ф е р а т

Электромагнитные волны

Выполнил:
ученик 11 «Б» класс
Львов Михаил
Проверил:

Владимир 2001г.

1. Вступление ……………………………………………………… 3

2. Понятие волна и ее характеристики…………………………… 4

3. Электромагнитные волны……………………………………… 5

4. Экспериментальное доказательство существования
электромагнитных волн………………………………………… 6

5. Плотность потока электромагнитного излучения ……………. 7

6. Изобретение радио …………………………………………….… 9

7. Свойства электромагнитных волн ………………………………10

8. Модуляция и детектирование…………………………………… 10

9. Виды радиоволн и их распространение………………………… 13

Вступление

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. В природе существует два вида волн: механические и электромагнитные. Ме­ханические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распростра­нения, к которым, в частности, от­носятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может су­ществовать в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем ато­мов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при своем распростра­нении ведут себя подобно механическим. Но подобно колебаниям все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. В своей работе я постараюсь рассмотреть причины возникновения электромагнитных волн, их свойства и применение в нашей жизни.

Понятие волна и ее характеристики

Волной называют колебания, распростра­няющиеся в пространстве с течением времени.

Важнейшей ха­рактеристикой волны является ее скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.

При распространении механической волны движе­ние передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии. Ос­новное свойство всех волн незави­симо от их природы состоит в пере­носе ими анергии без переноса вещества. Энергия поступает от источ­ника, возбуждающего колебания на­чала шнура, струны и т. д., и распро­страняется вместе с волной. Через любое поперечное сечение непрерывно течет энергия. Эта энергия слагается из кинети­ческой энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний, при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.

Если заставить конец растянутого резинового шнура колебаться гармонически с опреде­ленной частотой v, то эти колеба­ния начнут распространяться вдоль шнура. Колебания любого участка шнура происходят с той же часто­той и амплитудой, что и колебания конца шнура. Но только эти колеба­ния сдвинуты по фазе друг относи­тельно друга. Подобные волны назы­ваются монохроматическими .

Если сдвиг фаз между колеба­ниями двух точек шнура равен 2п, то эти точки колеблются совершенно одинаково: ведь соs(2лvt+2л) = =соs2п vt . Такие колебания назы­ваются синфазными (происходят в одинаковых фазах).

Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющими­ся в одинаковых фазах, называется длиной волны.

Связь между длиной волны λ, частотой v и скоростью распростра­нения волны c. За один период ко­лебаний волна распространяется на расстояние λ. Поэтому ее скорость определяется формулой

Так как период Т и частота v свя­заны соотношением T = 1 / v

Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний.

Электромагнитные волны

Теперь перейдем к рассмотрению непосредственно электромагнитных волн.

Фунда­ментальные законы природы могут дать гораздо боль­ше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены. Одним из таких относятся открытые Макс­веллом законы электромагнетизма.

Среди бесчисленных, очень инте­ресных и важных следствий, выте­кающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслу­живает особого внимания. Это вы­вод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории близкодействия Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т. д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электро­магнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие области окружающего пространства.

Максвелл математически дока­зал, что скорость распространения этого процесса равна скорости све­та в вакууме.

Пред­ставьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Тогда элек­трическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периоди­чески изменяться. Период этих изме­нений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Переменное элек­трическое поле будет порождать пе­риодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного элек­трического поля уже на большем расстоянии от заряда и т.д.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля ме­няются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее ко­лебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда коле­бания происходят с различными фа­зами.

Направления колеблющихся век­торов напряженности электрическо­го поля и индукции магнитного по­ля перпендикулярны к направлению распространения волны.

Электромагнитная волна является поперечной.

Электромагнитные волны излу­чаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения - главное условие излучения электро­магнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излу­ченной волны тем больше, чем боль­ше ускорение, с которым движется заряд.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их эксперимен­тального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электро­магнитные волны были экспериментально получены Герцем.

Экспериментальное доказательство существования

электромагнитных волн

Электромагнитные волн не видны в отличие от механических, но тогда как же они были обнаружены? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыты Герца.

Электромагнитная волна образу­ется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля при­водит к появлению другого. Как известно, чем быстрее меня­ется со временем магнитная индук­ция, тем больше напряженность воз­никающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний равна 1/ √ LС. От сюда видно, что она будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца.

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число вит­ков в катушке. В конце концов, полу­чится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный кон­тур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает макси­мума (в обычных же цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент вре­мени одинакова.) Электромагнитное поле также охватывает все пространство возле контура.

Герц получал элек­тромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника вы­сокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совер­шает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, дви­жущихся согласованно. В электро­магнитной волне векторы Е и В пер­пендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей че­рез вибратор, а вектор В перпенди­кулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной ин­тенсивностью в направлении, перпен­дикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Электромагнитные волны реги­стрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибра­тор. Под действием переменного электрического поля электромагнит­ной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного ви­братора совпадает с частотой элек­тромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаруживал эти колебания, наблюдав искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другие видам волн.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого элеетрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны - векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε 0 и μ 0 - электрическая и магнитная постоянные:

ε 0 = 8,85419·10 -12 Ф/м,

μ 0 = 1,25664·10 -6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f , где f - частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f .

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия , в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия .

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w э = w м.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW эм, равная

ΔW эм = (w э + w м)υS Δt .

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для w э, w м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ 0 . Этот вектор называют вектором Пойнтинга .

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E 0 - амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены Петром Николаевичем Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс . Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где w эм - объемная плотность электромагнитной энергии, c - скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Отсюда следует:

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел - энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Генриха Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства - поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А.С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами . Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t ) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца . В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл предсказал возможность существования в пространстве электромагнитных волн. Это утверждение он выдвинул основываясь на выводах, вытекающих из анализа всех известных к тому моменту экспериментальных данных касательно электричества и магнетизма.

Максвелл математически объединил законы электродинамики, связав электрические и магнитные явления, и таким образом пришел к выводу, что изменяющиеся с течением времени электрическое и магнитное поля порождают друг друга.

Изначально он сделал акцент на том факте, что взаимосвязь магнитных и электрических явлений не симметрична, и ввел термин «вихревое электрическое поле», предложив свое, по-настоящему новое объяснение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем: «всякое изменение магнитного поля приводит к появлению в окружающем пространстве вихревого электрического поля, имеющего замкнутые силовые линии».

Справедливым, по мнению Максвелла, было и обратное утверждение, что «изменяющееся электрическое поле рождает магнитное поле в окружающем пространстве», однако это утверждение оставалось поначалу только гипотезой.

Максвелл записал систему математических уравнений, которые непротиворечиво описали законы взаимных превращений магнитного и электрического полей, эти уравнения стали впоследствии основными уравнениями электродинамики, и стали называться «уравнения Максвелла» в честь записавшего их великого ученого. Гипотеза Максвелла, с опорой на написанные уравнения, возымела несколько чрезвычайно важных для науки и техники выводов, которые приведены ниже.

Электромагнитные волны действительно существуют

В пространстве могут существовать поперечные электромагнитные волны, представляющие собой распространяющееся с течением времени . На то что волны являются поперечными, указывает тот факт, что векторы магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е взаимно перпендикулярны и оба лежат в плоскости перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Скорость распространения электромагнитных волн в веществе конечна, и определяется она электрическими и магнитными свойствами вещества, по которому волна распространяется. Длина синусоидальной волны λ при этом связана со скоростью υ определенным точным соотношением λ = υ / f, и зависит от частоты f колебаний поля. Скорость c электромагнитной волны в вакууме - одна из фундаментальных физических констант - скорость света в вакууме.

Поскольку Максвелл заявлял о конечности скорости распространения электромагнитной волны, то это создало противоречие между его гипотезой и принятой в те времена теорией дальнодействия, согласно которой скорость распространения волн должна была бы быть бесконечной. Теорию Максвелла назвали поэтому теорией близкодействия.

В электромагнитной волне одновременно происходит превращение электрического и магнитного полей друг в друга, следовательно объемные плотности магнитной энергии и электрической энергии равны между собой. Следовательно справедливо утверждение, что модули напряженности электрического поля и индукции магнитного поля связаны между собой в каждой точке пространства следующим соотношением:

Электромагнитная волна в процессе своего распространения создает поток электромагнитной энергии, и если рассмотреть площадку в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны, то за малое время через нее переместится определенное количество электромагнитной энергии. Плотность потока электромагнитной энергии - это количество энергии, переносимой электромагнитной волной через поверхность единичной площади за единицу времени. Подставив значения скорости, а также магнитной и электрической энергии, можно получить выражение для плотности потока через величины Е и В.

Поскольку направление распространения энергии волны совпадает с направлением скорости распространения волны, то поток энергии, распространяющийся в электромагнитной волне можно задать при помощи вектора, направленного так же, как и скорость распространения волны. Этот вектор получил название «вектор Пойнтинга» - в честь британского физика Генри Пойнтинга, разработавшего в 1884 году теорию распространения потока энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии волны измеряется в Вт/кв.м.

При действии электрического поля на вещество, в нем появляются небольшие токи, представляющие собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Эти токи в магнитном поле электромагнитной волны подвергаются действию силы Ампера, которая направлена вглубь вещества. Сила Ампера и порождает в итоге давление.

Это явление позже, в 1900 году, было исследовано и подтверждено опытным путем русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым, экспериментальная работа которого явилась очень важной для подтверждения теории электромагнетизма Максвелла и ее принятия и утверждения в дальнейшем.

Тот факт, что электромагнитная волна оказывает давление, позволяет судить о наличии у электромагнитного поля механического импульса, который можно выразить для единичного объема через объемную плотность электромагнитной энергии и скорость распространения волны в вакууме:

Поскольку импульс связан с движением массы, можно ввести и такое понятие как электромагнитная масса, и тогда для единичного объема это соотношение (в соответствии с СТО) примет характер универсального закона природы, и окажется справедливым для любых материальных тел, вне зависимости от формы материи. А электромагнитное поле тогда сродни материальному телу - обладает энергией W, массой m, импульсом p и конечной скоростью распространения v. То есть электромагнитное поле - это одна из форм реально существующей в природе материи.

Впервые в 1888 году Генрих Герц подтвердил экспериментально электромагнитную теорию Максвелла. Он опытным путем доказал реальность электромагнитных волн и изучил такие их свойства как преломление и поглощение в различных средах, а также отражение волн от металлических поверхностей.

Герц измерил длину волны , и показал, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Экспериментальная работа Герца стала последним шагом к признанию электромагнитной теории Максвелла. Семь лет спустя, в 1895 году, русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны для создания беспроводной связи.

В цепях постоянного тока заряды движутся с постоянной скоростью, и электромагнитные волны в этом случае в пространство не излучаются. Чтобы имело место излучение, необходимо воспользоваться антенной, в которой возбуждались бы переменные токи, то есть токи, быстро изменяющие свое направление.

В простейшем виде для излучения электромагнитных волн пригоден электрический диполь небольшого размера, у которого бы быстро изменялся во времени дипольный момент. Именно такой диполь называют сегодня «диполь Герца», размер которого в несколько раз меньше длины излучаемой им волны.

При излучении диполем Герца, максимальный поток электромагнитной энергии приходится на плоскость, перпендикулярную оси диполя. Вдоль оси диполя излучения электромагнитной энергии не происходит. В важнейших экспериментах Герца были использованы элементарные диполи как для излучения, так и для приема электромагнитных волн, так и было доказано существование электромагнитных волн.