Электромагнитные волны (также называют как электромагнитное излучение) — это распространение в пространстве переменных электрических и магнитных полей. Другими словами, это поперечные волны, распространяющиеся со скоростью 300 000 км/с в вакууме. Электромагнитные волны включают: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Приведенные волны различаются по длине и частоте.
В этой статье вы узнаете, что такое электромагнитные волны, как они используются, а также важные формулы, которые математически их описывают.
Что такое электромагнитная волна?
Название «электромагнитные волны» состоит из двух частей — «электромагнитные» и «волны». Волны» говорит о том, что что-то периодически колеблется вверх и вниз. Добавление слова «электромагнитный» говорит о том, что это «что-то» — электрические и магнитные поля.
Это означает, что электромагнитные волны (также называемые электромагнитным излучением) описывают периодическое колебание электрического и магнитного полей. Поля не колеблются беспорядочно вверх и вниз, а связаны друг с другом так, что электрическое поле перпендикулярно магнитному полю (см. рисунок 1).
Когда мы помещаем куда-либо положительный или отрицательный электрический заряд, в пространстве вокруг него возникают силы, действующие на другие заряды; например, явление поляризации (разделение электрических зарядов в проводнике). Мы говорим, что электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, и это поле оказывает влияние на другие заряды. Это электрическое поле отвечает за протекание электрического тока.
Если заряд, создающий поле, перемещается, т.е. приближается к одним зарядам и удаляется от других, то действующие силы будут меняться. Из этого следует, что поле будет меняться. Поэтому мы можем иметь дело с полем, постоянным во времени (статическим), или с полем, изменяющимся во времени. Если электрическое поле в проводнике постоянно, то постоянна и сила тока. Если поле меняется, то меняется и электрический ток.
То же самое справедливо и для магнитных сил — они возникают в пространстве вокруг магнита, электромагнита или проводника, в котором течет электрический ток. Это означает, что эти тела являются источниками магнитного поля. Если источники поля неподвижны, а электрический ток в обмотках электромагнита или одиночного проводника имеет постоянное значение, то создаваемое поле будет статическим. Движение источников и изменение силы тока создадут переменное поле.
Вы уже знаете, что изменение положения магнита относительно проводника может вызвать протекание в нем электрического тока. Поскольку для этого потока необходимо электрическое поле, следует, что переменное магнитное поле создает электрическое поле. Вы также знаете, что при протекании электрического тока в проводнике возникает магнитное поле вокруг проводника, и если электрический ток течет то в одну, то в другую сторону, или его интенсивность увеличивается или уменьшается, то магнитное поле, создаваемое этим электрическим током, будет переменным.
Что происходит, когда в каком-либо месте возникает переменное магнитное поле? Сразу же появится переменное электрическое поле. Там не обязательно должен быть проводник. А когда в определенном месте появляется изменяющееся электрическое поле (например, при движении)? Да, вы правы — в этом месте появится переменное магнитное поле. Именно так эти поля переносятся в пространстве.
Деформация поверхности воды распространяется, создавая волну, а сгущение воздуха, вызванное движением струны, передается по воздуху, создавая звуковую волну. В отношении переменных электрических и магнитных полей мы говорим об электромагнитной волне. Во второй половине 19 века теория распространения волн была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом. Известно, что он как-то сказал, что это чрезвычайно красивая теория, которая никогда не будет полезна.
Электромагнитные волны были открыты Генрихом Герцем в 1886 году. Теория Максвелла была подтверждена, но Герц не дожил до рождения радио.
Как видно из вышесказанного, для того чтобы возбудить электромагнитную волну, необходимо где-то индуцировать изменение магнитного или электрического поля. А как узнать, что волна куда-то дошла? Если мы возбудим механическую волну на одном берегу озера, то, когда она достигнет лодки, плывущей по воде на другом берегу, мы заметим, что она начнет подниматься и опускаться. Электромагнитная волна, создаваемая переменными электрическим и магнитным полями, вызывает электрический ток в замкнутой цепи приемника. Наиболее важное различие между обоими типами волн заключается в том, что механическая волна требует материальной среды, в которой она может распространяться. Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.
Свойства электромагнитных волн
Существует ряд свойств, которыми обладают электромагнитные волны. В этом подразделе мы перечислим наиболее важные свойства и их значение.
- Среда распространения. В то время как механические волны нуждаются в среде для распространения, электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме. Электромагнитные волны могут распространяться не только в вакууме, но и в газах, таких как воздух, в жидкостях, таких как вода, или в твердых телах, таких как стекловолокно. Такое разнообразие сред распространения позволяет использовать электромагнитные волны для многих технологических и нетехнологических применений.
- Скорость распространения. Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью около c = 3*108 м / с. Это также скорость, с которой распространяется свет. Это открытие стало первым указанием на то, что свет является электромагнитным излучением.
- Тип распространения. Если бы вы посмотрели в направлении электромагнитной волны и увидели, например, колебания электрического поля, вы бы заметили, что электрическое поле колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Поэтому электромагнитные волны являются поперечными волнами. Благодаря этому свойству электромагнитное излучение может быть поляризовано. Магнитное поле всегда перпендикулярно электрическому полю.
- Цвет. Каждая электромагнитная волна имеет длину волны. Длина волны и частота волны могут быть преобразованы друг в друга (подзаголовок «Формулы»). Определенный цвет соответствует определенной длине волны (следовательно, и определенной частоте). Эта взаимосвязь между длиной волны и цветом иллюстрируется электромагнитным спектром.
Формулы
В этом разделе мы покажем вам, как преобразовать длину волны, частоту и энергию электромагнитной волны.
Связь длины волны с частотой и энергии с частотой.
В вакууме все типы электромагнитных волн распространяются с одинаковой скоростью (c). В любой другой среде считаем, что электромагнитные волны распространяются со скоростью v.
Если обозначить длину волны через λ, а частоту через f, то получится следующее: с = λ * f (1), где c — скорость света.
Однако это соотношение также применимо к волнам, которые распространяются не со скоростью c, а со скоростью v. Длина волны показывает пространственное расстояние между двумя гребнями или впадинами волны. Обратная величина частоты дает временное расстояние между двумя гребнями или впадинами. Поэтому длина волны имеет единицу измерения метр [ м ], а частота — единицу c-1 = 1 / c .
Между энергией E волны и ее частотой f действует соотношение: E = h * f (2), где h — постоянная Планка.
Если мы возьмем первое соотношение и преобразуем его к частоте, то получим f = c / λ .
Если мы теперь заменим частоту f во второй формуле на c / λ , то получим E = h * c / λ = ( h*c ) / λ .
Это означает, что все три величины связаны друг с другом. Таким образом, если вы задали одну из трех величин, вы можете рассчитать две другие. Например, если вы знаете длину волны, вы можете использовать формулу f = c / λ и вычислить частоту, а далее использовать формулу E = ( h*c ) / λ для того, чтобы вычислить энергию электромагнитной волны E.
Преобразование единиц измерения.
При выполнении таких преобразований всегда следите за тем, чтобы единицы измерения правильно соотносились друг с другом. Энергия E имеет единицу измерения джоуль (Дж), поэтому мы ожидаем, что выражение ( h*c ) / λ также имеет единицу измерения джоуль. Скорость света c имеет единицу измерения метр в секунду [ м / c ], длина волны λ имеет единицу измерения метр [ м ] и постоянная Планка имеет единицу измерения [ Дж*с ].
Таким образом, выражение ( h*c ) / λ имеет единицу измерения: ( Дж * с * м / c ) / м = Дж.
Виды электромагнитных волн и их диапазоны длин
| Вид волны | Длина волны |
| Радиоволны | Более 1 м |
| Микроволны | От 1 мм до 1 м |
| Инфракрасные | от 700 нм до 1 мм |
| Видимый свет | от 380 нм до 700 нм |
| Ультрафиолетовые | от 10 нм до 380 нм |
| Рентгеновские лучи | от 5 пм do 10 нм |
Волны располагаются в порядке возрастания частоты и уменьшения длины, поскольку чем длиннее волна, тем ниже ее частота. Волны с высокой частотой, т.е. ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, несут в себе высокую энергию. Взаимодействие этих волн с живыми организмами может привести к повреждению клеток или даже смерти (при высокой дозе излучения).
Применение
Радиоволны.
Радио- и телевизионные волны имеют самые низкие частоты. Они используются в основном для общения. Они позволяют передавать изображения и звук, что является основой радио- и телевизионных станций. Радиоволны делятся на длинные и короткие в зависимости от их длины. Коротковолновые радиостанции используют разные частоты для разных частей страны. Существуют также станции, которые вещают на одной частоте для всей страны — тогда используются так называемые длинные волны.
Радиоволны также использовались в астрономических наблюдениях. В космосе есть небесные тела, которые являются естественными источниками радиоволн. Радиотелескопы (рисунок 2) используются в обсерваториях для проведения так называемого прослушивания, то есть исследования отдаленных частей космоса.
Микроволны.
Микроволны чаще всего ассоциируются с микроволновой печью, и это лишь одно из многих возможных применений. Они производятся специальными электронными трубками. Микроволны легко распространяются по воздуху, даже при неблагоприятных атмосферных условиях (туман, осадки). Именно поэтому они используются в радарах — устройствах, применяемых для определения местоположения. Радары используются в метеорологии, например, для отслеживания дождевых облаков. Микроволны также используются в радио- и спутниковой связи, т.е. между спутником и Землей (телефоны, факсы, передача данных) и между спутниками. Частота, соответствующая микроволнам, также используется в: мобильной телефонии, GPS-навигации, связи Bluetooth и беспроводных компьютерных сетях WLAN.
Помните! Микроволны — это электромагнитные волны, используемые в радарах, спутниковой связи и GPS-навигации.
Инфракрасное излучение.
Инфракрасное излучение испускается всеми телами с температурой выше абсолютного нуля. Источниками инфракрасного излучения являются горячий утюг, лампочка, кожа человека, солнце и т.д. Некоторые термометры работают путем измерения частоты излучения, испускаемого кожей. Поскольку человеческое тело является источником инфракрасного излучения, для наблюдения в ночное время можно использовать камеры ночного видения и тепловизоры. Гадюки наблюдают за окружающей средой таким же образом, поскольку у них есть рецепторы, которые работают как приборы ночного видения.
Поверхности твердых тел и жидкостей нагреваются инфракрасным излучением, поскольку частота волны и частота колебаний молекул твердых тел и жидкостей одинаковы. Инфракрасное излучение не нагревает газы, поэтому астрономы используют это свойство для наблюдения за зарождающимися звездами в туманностях. Инфракрасное излучение также нашло применение в передаче данных — в камерах сотовой связи IRDA и в оптических волокнах. Для считывания компакт-дисков используются лазеры, излучающие свет с длиной волны 650-790 нм.
Помните! Инфракрасный свет излучается различными телами, например, лампочками, Солнцем, человеческим телом. Он нагревает твердые вещества и жидкости, на которые падает. Он используется, например, в камерах ночного видения и тепловизорах.
Видимый свет.
Видимый свет, т.е. свет, регистрируемый человеческим зрением, находится в диапазоне от 400 нм до 780 нм. Глаз воспринимает волны различных частот и их комбинации, а мозг интерпретирует их как цвета.
Ультрафиолет (УФ) — это излучение, которое достигает нас вместе с солнечными лучами. Он необходим для выработки витамина D в организме человека, но избыток этого излучения может иметь серьезные последствия. Когда вы загораете, загар возникает под воздействием ультрафиолетового излучения, но иногда кожа обгорает. Длительный загар вызывает повреждение коллагеновых волокон кожи и ускоряет ее старение (образование морщин).
Слишком высокие дозы ультрафиолетового излучения могут привести к необратимым изменениям кожи, вплоть до рака. Поэтому важно защитить себя от этого излучения. Рекомендуется использовать кремы с УФ-фильтрами (чем выше фактор защиты от солнца, тем лучше), которые действительно защищают кожу. Помните также, что ультрафиолетовое излучение включает в себя свет электрической дуги, который образуется при электросварке (мы видим такой свет, например, при сварке трамвайных рельсов). Если смотреть на такую дугу в течение нескольких секунд, это повредит зрению.
Ультрафиолетовое излучение.
Ультрафиолетовое излучение можно использовать для считывания водяных знаков на банкнотах (см. рисунок 4). Его источником являются кварцевые лампы. Ультрафиолет оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы, поэтому его используют в больницах, например, для стерилизации помещений или медицинского оборудования. Ультрафиолетовое излучение также используется в криминалистике для наблюдения биологических следов, например, крови.
Помните! Ультрафиолет — это электромагнитная волна с частотой выше, чем у видимого света. Источниками ультрафиолета являются Солнце и кварцевые лампы. Он используется, в частности, для стерилизации больничных палат и в судебной медицине.
Рентгеновское излучение.
В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи (Х-лучи). Его источником являются специальные лампы. Они испускают излучение в результате замедления блуждающих электронов на металлическом электроде. Рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике (рентген, маммография и другие), поскольку они проникают через кожу и поглощаются костями. Слишком высокая доза этого излучения может привести к повреждению внутренних органов и поражениям, поэтому во время обследований используются экраны — фартуки из резины с содержанием оксида свинца. Такое излучение может повредить генетический материал клеток и привести к генетическим изменениям в потомстве.
Гамма-излучение — это электромагнитная волна с самой высокой частотой и самой короткой длиной волны. Оно гораздо более проникающее, чем рентгеновские лучи, и может свободно проникать через бумагу, картон, алюминий. Но, в тоже время, гамма-излучение отлично поглощается слоем свинца. Источниками этого излучения являются различные радиоактивные элементы. Некоторые из них используются в медицине и радиотерапии.
Список использованной литературы
- Аксенович Л.А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина, К.С. Фарино; Под ред. К.С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 434-436.
- А так ли хорошо знакомы вам электромагнитные волны? // Квант. — 1993. — № 3. — С. 56-57.
- Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5
С энергетической точки зрения электромагнитная волна может рассматриваться как процесс переноса энергии от источника излучения в окружающее пространство. Каждую секунду источник через передающую антенну излучает энергию, численно равную его мощности Р, и эта энергия уходит в окружающее пространство, подобно расходящимся кругам на воде.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Энергию, проходящую при этом через единицу площади картинной плоскости, находящейся на некотором расстоянии R от передающей антенны в единицу времени, называют вектором Пойнтинга (размерность Вт/м2).
Среднее значение данного вектора по поверхности сферы радиуса R с центром в точке размещения передающей антенны составляет, очевидно, 
Здесь W — усреднение по поверхности сферы,
— площадь этой поверхности. Следует подчеркнуть, что приведенная зависимость имеет место только в идеализированных условиях распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.
В реальных условиях вид этой зависимости существенно изменяется, о чем будет сказано в следующем пункте.
Поскольку передающие антенны имеют обычно направленные свойства, так что в различные направления излучают сигналы различной интенсивности, в каждом конкретном направлении модуль вектора Пойнтинга не равен среднему значению, а отличается от него в число раз, равное усилению по мощности G передающей антенны в рассматриваемом направлении:
Выражение (1.2) представляет собой фактически определение коэффициента усиления антенны в любом выбранном направлении, согласно которому, он есть отношение 
, измеренное в этом направлении.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В соответствии с законом сохранения энергии, чем большая часть мощности источника переносится волной в данном направлении, тем меньшая часть этой мощности излучается в других направлениях. Поэтому, чем больше коэффициент усиления антенны, тем уже диаграмма ее направленности.
Известно следующее ориентировочное соотношение, отображающее описанную зависимость
где G — коэффициент усиления в направлении максимума диаграммы; 
— раствор (в градусах) диаграммы направленности антенны в двух ортогональных плоскостях (по уровню минус 3 дБ).
Перейдем теперь к энергетическим соотношениям при приеме электромагнитных волн. Для ряда антенн, включая и зеркальные, можно исходить из того, что антенна, в идеале без потерь, собирает всю энергию электромагнитной волны, падающую на ее поверхность.
Таким образом, мощность на выходе приемной антенны определяется произведением вектора Пойнтинга на площадь проекции антенны на картинную плоскость принимаемой волны:
В выражении (1.4) под S следовало бы понимать геометрическую площадь 
, если бы вся она одинаково эффективно использовалась антенной. Фактически это в силу ряда причин не так; поэтому в (1.4) должна подставляться так называемая эффективная площадь антенны, несколько меньшая
где 
— коэффициент использования площади, величина по определению меньше единицы (0,5-0,8). В приведенных соотношениях передающая антенна характеризуются коэффициентом усиления, а приемная — эффективной площадью.
Орлов Анатолий Владимирович
Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей
Задать вопрос
Между тем каждая антенна, вообще говоря, может быть использована и как приемная, и как передающая. Поэтому любая антенна может быть эквивалентно охарактеризована любой из указанных двух характеристик.
В теории антенн доказана справедливость следующего соотношения между этими характеристиками одной и той же антенны
Выше отмечалось, что прямая связь эффективной площади антенны с геометрической площадью проекции антенны на картинную плоскость имеет место не всегда. Так, штыревые антенны вообще не имеют площади, а для широко распространенных спиральных антенн сверх того еще существенную роль играет и размер спирали, измеренный вдоль направления распространения.
Тем не менее любым антеннам может быть, в соответствии с (1.6), приписана эффективная площадь, после чего по (1.4) можно определить и мощность принимаемого антенной сигнала. При этом если исходным является коэффициент усиления в данном направлении, обозначенном в (1.6) индексом 1, то и эффективная площадь определяется для этого направления и мощность принятого сигнала оценивается при облучении антенны волной с этого направления.
Естественно, что для каждой антенны существует такое направление, в котором ее усиление, а следовательно, и эффективная площадь, максимальны. Когда говорят об эффективной площади антенны без указания направления имеют ввиду именно максимальную площадь.
Антенны, применяемые в случае излучения и приема радиоволн, рассчитываются на волны определенной поляризации. Так, если в качестве антенны используется штырь, то в идеале он формирует (принимает) только те радиоволны, направление поляризации которых параллельно этому штырю.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
С теми же волнами будут согласованы и зеркальные или рупорные антенны, в которых такие штыри используются в качестве облучателей. Очевидно, что антенна, согласованная с данной линейной поляризацией, не должна принимать сигнал ортогональной к ней поляризации.
Могут быть созданы антенны, согласованные с волнами круговой поляризации. Например, можно в качестве такой антенны использовать пару перпендикулярных друг другу штырей, размещенных в картинной плоскости принимаемой волны (рис 1.4). Сигнал с выхода одного из штырей должен пропускаться через фазовращатель на 90°, после чего суммироваться с выходным сигналом другого штыря.
Знак фазового сдвига должен быть выбран соответствующим направлению вращения круговой поляризации принимаемого сигнала. При наличии согласования сигналы на входах сумматора окажутся синфазными, так что будет происходить когерентное их суммирование.
Если на ту же схему подать волну противоположного вращения, то сигналы на входах сумматора окажутся противофазными и будут в сумматоре полностью компенсироваться. Итак, антенна, идеально согласованная с волной круговой поляризации одного направления вращения, совершенно не принимает волну с противоположной круговой поляризацией.
Таким образом, как при линейной, так и при круговой поляризации существует по две ортогональные их разновидности и при том такие, что антенна, идеально согласованная с одной из них, совершенно не реагирует на другую, и наоборот.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Легко видеть, что линейная и круговая поляризация между собой ортогональными не являются. Антенна круговой поляризации принимает линейно поляризованную волну и, наоборот, антенна линейной поляризации принимает волну круговой поляризации с небольшим ослаблением (около 3 дБ).
Отметим, что электромагнитная волна с эллиптической поляризацией может быть представлена как сумма двух составляющих с ортогональными круговыми поляризациями. Возможность такого представления поясняется рис 1.5, где изображены линейно поляризованные составляющие исходной, эллиптически поляризованной волны и две волны с круговой поляризацией, на которые она может быть разложена.
Рис 1.5 представляет пространственное положение векторов в картинной плоскости волны. Что касается их изменения во времени, то следует помнить, что фаза горизонтальных векторов сдвинута на 90° относительно вертикальных.
Однако изменение пространственного положения вектора на противоположное означает одновременно и поворот его фазы во времени на 180°; поэтому, если первая волна правой части рисунка имеет правую круговую поляризацию, то второй вектор — левую.
(Рисунок иллюстрирует равенство волны, представленной в его левой части, сумме двух волн, показанных справа.)
Данные рис. 1.5 показывают, что для волны с коэффициентом эллиптичности 
, отношение мощностей составляющих волн основной и ортогональной круговых поляризаций составляет
Поскольку приемная антенна радиолинии предназначается для приема основной поляризации принимаемой волны, дополнительная (ортогональная) оставляющая ею не принимается. Поэтому передача сигнала с эллиптической поляризацией приводит к потерям мощности сигнала в радиолинии:
раз, даже при использовании приемной антенны с идеальной круговой поляризацией.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В системах связи часто реализуется возможность повышения эффективности использования полосы рабочих частот за счет одновременной передачи совпадающих по спектру радиоволн на ортогональных поляризациях.
При этом идеальное разделение таких волн может быть достигнуто только при идеальной поляризации как в передающей, так и в приемной антеннах.
Применительно к круговой поляризации, неидеальность поляризационных свойств антенны определяется коэффициентом эллиптичности волны, создаваемой антенной при работе на передачу.
Эту неидеальность можно характеризовать также уровнем кроссполяризации 
, показывающей, во сколько раз (по мощности) антенна, при ее работе на прием, лучше принимает сигнал с той поляризацией, на которую она рассчитана, чем с ортогональной к ней. Вышеизложенное позволяет установить следующую связь между двумя указанными показателями:
Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.
Как появляются и распространяются электромагнитные волны
Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.
Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой. Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.
Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется от колеблющегося заряда во все стороны.
Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности →E и магнитной индукции →B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.
В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов →E и →B в любой точке совпадают по фазе.
Определение
Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.
Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).
Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.
Условия возникновения электромагнитных волн
Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.
Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.
Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.
Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.
Это интересно!
Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.
Плотность потока электромагнитного излучения
Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.
На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.
Определение
Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.
Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м2 (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.
Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:
I=ΔWSΔt
Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).
Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = wcΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:
I=wcΔtSSΔt=wc
Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.
Определение
Плотность электромагнитной энергии — энергия электромагнитного излучения в единице объема. Обозначается как w. Единица измерения — Дж/м3.
Пример №1. Плотность потока излучения равна 6 мВт/м2. Найти плотность энергии электромагнитной волны.
I=wc
Отсюда:
w=Ic=6·10−33·108=2·10−11 (Джм3)
Точечный источник излучения
Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.
Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.
Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.
Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.
Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR2. Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, получим:
I=ΔWSΔt=ΔW4πΔt·1R2
Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.
Пример №2. Плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 5 метров от точечного источника составляет 20 мВт/м2. Найти плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 10 метров от этого источника.
Расстояние по условию задачи увеличилось вдвое. Так как плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника, при увеличении расстояния вдвое интенсивность излучения уменьшится в 4 раза. То есть, она станет равной 5 мВт/м2.
Зависимость плотности потока излучения от частоты
Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:
E~a~ω2, B~a~ω2
Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:
I~w
~(E2+B2)
Вспомним, что:
E~ω2, B~ω2
Тогда:
I~ω4
Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.
Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.
Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения корня из числа 4 дважды:
4√4=√√4=√2≈1,4
Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.
Свойства электромагнитных волн
Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.
| Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн | |
 |
Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким. |
| Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн | |
 |
Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его. |
| Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн | |
 |
Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука. |
| Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн | |
 |
Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку. |
Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:
- радиоволны;
- оптическое излучение;
- ионизирующее излучение.
Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.
| Наименование диапазона волн | Длины волн (м) | Частоты (Гц) |
| Радиоволны | ||
| Инфразвук, звук | >105 | <3∙103 |
| Сверхдлинные волны (СДВ) | 104–105 | 3∙103–3∙104 |
| Длинные волны (ДВ) | 103–104 | 3∙104–3∙105 |
| Средние волны (СВ) | 102–103 | 3∙105–3∙106 |
| Короткие волны (КВ) | 10–100 | 3∙106–3∙107 |
Ультракороткие (УКВ):
|
|
|
| Оптические волны | ||
| Инфракрасное излучение | 0,78∙10–6–10–4 | 3∙1011–4∙1014 |
| Видимый свет | 0,38∙10–6–0,78∙10–6 | 4∙1014–7,5∙1014 |
| Ультрафиолетовое излучение | 10–7–0,38∙10–6 | 7,5∙1011–3∙1015 |
| Ионизирующее излучение | ||
| Рентгеновское излучение | 5∙10–12–10–8 | 3∙1016–6∙1019 |
| Гамма-излучение | <5∙10–12 | >6∙1019 |
Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.
Задание EF17496
В электромагнитной волне, распространяющейся со скоростью →v, происходят колебания векторов напряжённости электрического поля →E и индукции магнитного поля →B. При этих колебаниях векторы →v, →E, →B. имеют взаимную ориентацию:
Ответ:
а) →B∥∥→E, →B∥∥→v, →E∥∥→v
б) →B⊥→E, →B∥∥→v, →E⊥→v
в) →B⊥→E, →B⊥→v, →E∥∥→v
г) →B⊥→E, →B⊥→v, →E⊥→v
Алгоритм решения
1.Вспомнить, какие величины периодически изменяются при распространении электромагнитной волны.
2.Вспомнить, какое взаимное расположение имеют векторы меняющихся величин электромагнитной волны.
3.Вспомнить, какой является электромагнитная волна — продольной или поперечной.
Решение
Электромагнитная волна представляет собой распространяющиеся с течением времени в пространстве электромагнитные колебания, характеризующиеся периодическим изменением в точках пространства вектора напряженности →E и вектора магнитной индукции →B. Эти векторы лежат и изменяются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому вектора напряженности →E и вектор магнитной индукции →B перпендикулярны (→B⊥→E).
Электромагнитная волна — поперечная волна. Это значит, что векторы периодически меняющихся величин расположены перпендикулярно направлению распространения волны. Направление волны определяется направлением вектора ее скорости. Следовательно, вектор напряженности →E и вектор магнитной индукции →B перпендикулярны вектору скорости распространения волны (→B⊥→v, →E∥∥→v).
Ответ: г
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17601
Какой объект, согласно классической электродинамике, не излучает электромагнитных волн?
Ответ:
а) ускоренно движущийся заряд
б) электромагнит, подключённый к генератору переменного тока
в) линия электропередачи
г) покоящийся электромагнит, подключённый к аккумулятору
Алгоритм решения
- Вспомнить основное условие возникновения электромагнитных волн.
- Проанализировать возможные источники электромагнитных волн и установить, в каком из них необходимое условие не выполняется.
Решение
Главное условие возникновения электромагнитных волн — наличие у движущегося заряда ускорения. Следовательно, ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны.
По линиям электропередачи протекает переменный ток, который периодически меняет свое направление. Следовательно, заряды внутри проводников движутся ускоренно, ведь для того, чтобы поменялась скорость (по модулю и направлению), необходимо наличие ускорения. Следовательно, линии электропередач тоже излучают электромагнитные волны. По этой же причине электромагнит, подключённый к генератору переменного тока, также излучает волны.
Покоящийся электромагнит, подключённый к аккумулятору, не может излучать электромагнитные волны. Аккумулятор — источник постоянного тока. Поэтому заряды движутся с постоянной скоростью (без ускорения), и сам электромагнит покоится (не имеет ускорения).
Ответ: г
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17566
Выберите среди приведённых примеров электромагнитное излучение с минимальной длиной волны.
Ответ:
а) рентгеновское
б) ультрафиолетовое
в) видимое
г) инфракрасное
Алгоритм решения
- Вспомнить расположение видов волн на шкале.
- Определить тип волн, имеющих самую короткую длину волны из перечисленных вариантов.
Решение
Шкала электромагнитных волн классифицирует волны по длине или частоте волн. Чем меньше длина волны, тем выше ее частота. Наибольшей длиной волны обладают радиоволны, затем идем инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение. После — ионизирующее излучение (рентгеновское и гамма-излучение). Следовательно, наименьшей длиной волн из перечисленных вариантов обладает рентгеновское излучение.
Ответ: а
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 8.6k
| Классическая электродинамика |
|---|
 |
| Электричество · Магнетизм |
|
Электростатика Закон Кулона |
|
Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа |
|
Электродинамика Векторный потенциал |
|
Электрическая цепь Закон Ома |
|
Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля |
| См. также: Портал:Физика |
Электромагни́тные во́лны / электромагни́тное излуче́ние (ЭМИ) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.
Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.
Электромагнитный спектр подразделяется на:
- радиоволны (начиная со сверхдлинных)
- микроволновое излучение
- терагерцевое излучение
- инфракрасное излучение
- видимое излучение (свет)
- ультрафиолетовое излучение
- рентгеновское излучение
- жёсткое (гамма-излучение) (см. ниже, см. также рисунок).
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом своё поведение).
Классификация диапазонов спектра электромагнитного излучения по-английски. Колонки: 1 (чёрная) — аббревиатуры обозначения диапазонов, 2 — частота, 3 — длина волны, 4 — энергия фотона
Характеристики электромагнитного излучения[править | править код]
Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.
Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света[1].
В электродинамике[править | править код]
Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий[2]; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях, — как ожидается, со всеми остальными калибровочными полями.
Связь с более фундаментальными науками[править | править код]
Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной[3] из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.
Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определённого диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.
Некоторые особенности электромагнитных волн с точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:
- наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H;
- электромагнитные волны в свободном пространстве — это поперечные волны, в которых векторы напряжённости электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.
Диапазоны электромагнитного излучения[править | править код]
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.
| Название диапазона | Длины волн, λ | Частоты, f | Источники | |
|---|---|---|---|---|
| Радиоволны | Сверхдлинные | более 10 км | менее 30 кГц | Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь. |
| Длинные | 10 км — 1 км | 30 кГц — 300 кГц | ||
| Средние | 1 км — 100 м | 300 кГц — 3 МГц | ||
| Короткие | 100 м — 10 м | 3 МГц — 30 МГц | ||
| Ультракороткие | 10 м — 1 мм | 30 МГц — 300 ГГц[4] | ||
| Инфракрасное излучение | 1 мм — 780 нм | 300 ГГц — 429 ТГц | Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. | |
| Видимое излучение | 780 нм — 380 нм | 429 ТГц — 750 ТГц | ||
| Ультрафиолетовое | 380 нм — 10 нм | 7,5⋅1014 Гц — 3⋅1016 Гц | Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. | |
| Рентгеновское | 10 нм — 5 пм | 3⋅1016 Гц — 6⋅1019 Гц | Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. | |
| Гамма | менее 5 пм | более 6⋅1019 Гц | Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. |
| Виды энергии: | ||
|---|---|---|
 |
Механическая | Потенциальная Кинетическая |
| ‹♦› | Внутренняя | |
 |
Электромагнитная | Электрическая Магнитная |
 |
Химическая | |
 |
Ядерная | |
 |
Гравитационная | |
 |
Вакуума | |
| Гипотетические: | ||
 |
Тёмная | |
| См. также: Закон сохранения энергии |
Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и децимиллиметровые волны (гипервысокие частоты, ГВЧ, 300—3000 ГГц) — стандартные диапазоны радиоволн по общепринятой классификации[4]. По другой классификации указанные стандартные диапазоны радиоволн, исключая метровые волны, называют микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ)[5].
Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).
Радиоволны[править | править код]
Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.
Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.
Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.
Микроволновое излучение[править | править код]
|
|
Этот раздел статьи ещё не написан. Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его. (28 февраля 2017) |
Инфракрасное излучение (тепловое)[править | править код]
Как и радио- и микроволны, инфракрасное излучение (ИК) отражается от металлов (а также от большинства электромагнитных помех, находящихся в ультрафиолетовом диапазоне). Однако, в отличие от низкочастотного радио- и микроволнового излучения, инфракрасное излучение обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые изменяются при колебании атомов на концах одной химической связи.
Следовательно, оно поглощается широким спектром веществ, что приводит к повышению их температуры при рассеивании вибраций в виде тепла. Тот же самый процесс, происходящий в обратном порядке, вызывает спонтанное излучение массивных веществ в инфракрасном диапазоне.
Инфракрасное излучение делится на спектральные поддиапазоны. Хотя существуют различные схемы деления, спектр обычно делится на ближний инфракрасный (0,75-1,4 мкм), коротковолновый инфракрасный (1,4-3 мкм), средневолновый инфракрасный (3-8 мкм), длинноволновый инфракрасный (8-15 мкм) и дальний инфракрасный (15-1000 мкм).
Видимое излучение (оптическое)[править | править код]
Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи[6]
Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 K и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения — 550 нм — расположен в «зелёной» области, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия).
Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.
Ультрафиолетовое излучение[править | править код]
По мере того, как частота увеличивается в ультрафиолетовом диапазоне, фотоны несут достаточно энергии (около трех электрон-вольт или более), чтобы возбудить определенные молекулы с двойными связями в необратимую химическую перегруппировку. В ДНК это вызывает необратимые повреждения. ДНК также косвенно повреждается активными формами кислорода, продуцируемыми ультрафиолетом А (УФА), энергия которого слишком мала для непосредственного повреждения ДНК. Вот почему ультрафиолет на всех длинах волн может повредить ДНК и вызвать рак, а также (для УФ-В) ожоги кожи (солнечные ожоги), которые намного хуже, чем при простом нагреве (повышении температуры). Это свойство вызывать молекулярные повреждения, непропорциональные тепловым эффектам, характерно для всех ЭМИ с частотами в диапазоне видимого света и выше. Эти свойства высокочастотного ЭМИ обусловлены квантовыми эффектами, которые необратимо повреждают материалы и ткани на молекулярном уровне.
В верхней части ультрафиолетового диапазона энергия фотонов становится достаточно большой, чтобы передать достаточно энергии электронам, чтобы вызвать их высвобождение из атома в процессе, называемом фотоионизацией. Энергия, необходимая для этого, всегда превышает примерно 10 электрон-вольт (эВ), что соответствует длинам волн менее 124 нм (некоторые источники предлагают более реалистичное ограничение в 33 эВ, что является энергией, необходимой для ионизации воды). Этот верхний конец ультрафиолетового спектра с энергиями примерно в диапазоне ионизации иногда называют «экстремальным ультрафиолетовым излучением». Ионизирующее ультрафиолетовое излучение сильно фильтруется земной атмосферой.
|
|
Этот раздел статьи ещё не написан. Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его. (28 февраля 2017) |
Жёсткое излучение[править | править код]
В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.
Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц.
Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов[править | править код]
Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического 
и магнитного 
полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.
Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жёстких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.
История исследований[править | править код]
- Первые волновые теории света (их можно считать старейшими вариантами теорий электромагнитного излучения) восходят по меньшей мере к временам Гюйгенса, когда они получили уже и заметное количественное развитие. В 1678 году Гюйгенс выпустил «Трактат о свете» (фр. Traité de la lumière[en]) — набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем (принцип Гюйгенса — Френеля) и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции. В 1660—1670-е годы существенный теоретический и экспериментальный вклад в физическую теорию света внесли также Ньютон и Гук.
- Многие положения корпускулярно-кинетической теории М. В. Ломоносова (1740—1750-е годы) предвосхищают постулаты электромагнитной теории: вращательное («коловратное») движение частиц как прообраз электронного облака, волновая («зыблющаяся») природа света, общность её с природой электричества, отличие от теплового излучения и т. д.
- В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.
- В 1801 году Риттер открыл ультрафиолетовое излучение[7].
- Существование электромагнитных волн предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.
- В 1865 году английский физик Дж. Максвелл завершил построение теории электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, строго оформив её математически, и на её основе получив твёрдое обоснование существования электромагнитных волн, а также найдя скорость их распространения (неплохо совпадавшую с известным тогда значением скорости света), что позволило ему обосновать и предположение о том, что свет является электромагнитной волной.
- В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.
- 8 ноября 1895 года Рентген открыл электромагнитное излучение (получившее впоследствии название рентгеновского) более коротковолнового диапазона, чем ультрафиолетовое.
- В конце XIX столетия белорусский учёный, профессор Я. Наркевич-Иодко впервые в мире исследовал возможности использования электромагнитного излучения газоразрядной плазмы для электрографии (визуализации) живых организмов, то есть для нужд практической медицины.
- В 1900 году Поль Виллар при изучении излучения радия открыл гамма-излучение.
- В 1900 году Планк при теоретическом исследовании проблемы излучения абсолютно чёрного тела открывает квантованность процесса электромагнитного излучения. Эта работа стала началом квантовой физики.
- Начиная с 1905 года Эйнштейн, а затем и Планк публикуют ряд работ, приведших к формированию понятия фотона, что стало началом создания квантовой теории электромагнитного излучения.
- Дальнейшие работы по квантовой теории излучения и его взаимодействия с веществом, приведшие в итоге к формированию квантовой электродинамики в её современном виде, принадлежат ряду ведущих физиков середины XX века, среди которых можно выделить, применительно именно к вопросу квантования электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом, кроме Планка и Эйнштейна, Бозе, Бора, Гейзенберга, де Бройля, Дирака, Фейнмана, Швингера, Томонагу.
Электромагнитная безопасность[править | править код]
Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, других животных и живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования и др.
Влияние на живых существ[править | править код]
Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.
Оптический диапазон[править | править код]
Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.
Радиоволны[править | править код]
Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.
Установлены биологические последствия сильного воздействия полей высоких уровней (значительно выше 100 µT), которые объясняются действием признанных биофизических механизмов. Внешние магнитные поля крайне низкой частоты (КНЧ) индуцируют электрические поля и токи в организме человека, которые, при очень высокой мощности поля, оказывают стимулирующее воздействие на нервы и мышцы и вызывают изменение возбудимости нервных клеток в центральной нервной системе.
Что касается долгосрочных последствий, то ввиду недостаточности фактических данных, подтверждающих связь между воздействием магнитных полей КНЧ и детской лейкемией, польза для здоровья от снижения уровней воздействия представляется неясной.[8]
В ряде исследований было изучено воздействие радиочастотных полей на электрическую активность мозга, когнитивные функции, сон, сердечный ритм и кровяное давление у добровольцев. На сегодняшний день исследования не предполагают каких-либо последовательных доказательств неблагоприятного воздействия на здоровье от воздействия радиочастотных полей на уровнях ниже уровней, которые вызывают нагревание тканей. Кроме того, исследования не смогли обнаружить причинно-следственную связи между воздействием электромагнитных полей и «симптомами самооценки» или «электромагнитной гиперчувствительностью». Эпидемиологические исследования, изучающие потенциальные долгосрочные риски от радиочастотного воздействия, в основном имели цель найти связь между опухолями головного мозга и использованием мобильных телефонов. Результаты исследований на лабораторных животных не показывают повышенного риска развития рака от долгосрочного воздействия радиочастотных полей.[9]
Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.
В России нормативными документами, регламентирующими предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитного излучения, являются:
- ГОСТ 12.1.006-84 «ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни»[10],
- с 2021.03.01 действуют СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания»[11].
Допустимые уровни излучения различных передающих радиотехнических средств на частотах >300 МГц в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
- Россия, Украина, Польша, Беларусь, Казахстан: 10 мкВт/см²;
- США, Европа (за исключением некоторых стран), Япония, Корея: 200—1000 мкВт/см²[12][13];
- Канада: 130—2000 мкВт/см²[14];
- Китай: 10 (40) — 2000 мкВт/см²[15][16].
Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).
«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, то есть максимально уменьшить время использования сотовой связи».
Ионизирующее излучение[править | править код]
Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.
Влияние на радиотехнические устройства[править | править код]
Существуют административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Украинский частотный надзор, который регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром).
См. также[править | править код]
- Волна
- Радиобиология неионизирующих излучений
- Фотоэффект
- Электромагнитные колебания
- Эффект Комптона
- Внутреннее отражение
- Электромагнитная безопасность
Примечания[править | править код]
- ↑ (Принцип максимальности скорости света теории относительности при этом не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации — связанная с групповой, а не фазовой скоростью — в любом случае не превышает световой скорости)
- ↑ Также вопросы, связанные с жёсткими и сверхжёсткими излучениями могут возникать в астрофизике; там иногда они имеют особую специфику, например, генерация излучения может происходить в областях огромного размера.
- ↑ Наиболее фундаментальной, не считая упомянутых выше теорий Стандартной модели, отличия которой от чистой квантовой электродинамики проявляются, впрочем, лишь при очень высоких энергиях.
- ↑ 1 2 ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения
- ↑ 48.Особенности диапазона свч. Деление свч диапазона на поддиапазоны. StudFiles. Дата обращения: 24 октября 2017.
- ↑ Структура луча показана условно. Синусоидальность лучей показана условно. Разная скорость света в призме для разных длин волн не показана.
- ↑ Догадки о наличии излучения за пределами видимого спектра высказывались и ранее Гершеля и Риттера, однако они показали это экспериментально.
- ↑ [http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs322_ELF_fields_russian.pdf Электромагнитные поля и общественное
здравоохранение]. Всемирная организация здравоохранения (июнь 2007). - ↑ Electromagnetic fields and public health: mobile phones. Всемирная организация здравоохранения (октябрь 2014).
- ↑ ГОСТ 12.1.006-84.
- ↑ СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания»
- ↑ https://transition.fcc.gov/bureaus/oet/info/documents/bulletins/oet65/oet65.pdf
- ↑ https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf
- ↑ https://www.canada.ca/content/dam/hc-sc/migration/hc-sc/ewh-semt/alt_formats/pdf/consult/_2014/safety_code_6-code_securite_6/final-finale-eng.pdf
- ↑ http://www.nhc.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2014/11/20141103161157888.pdf
- ↑ http://www.lddoc.cn/p-23264.html
Литература[править | править код]
- Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
- Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5
- Петрусевич Ю. М. Излучения (радиация) // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б. В. Петровский. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — Т. 9 : Ибн-Рошд — Йордан. — С. 35—36. — 483 с. : ил.
Ссылки[править | править код]
- Воздействие электромагнитного излучения на организм человека
- Как влияют электромагнитные поля воздушных линий электропередачи на людей, животных и растения
- Электромагнитные волны: что это такое, свойства, формулы, применение
- Почечуева, Ольга. Электромагнитная пытка. Потерпевшие от незаконного электромагнитного и лазерного воздействия. «Адвокатская газета», № 23 (328) от 1-15 декабря 2020 года.
Частота и длина волны
Электромагнитная волна характеризуется одним главным параметром — числом гребней, которые за секунду проходят мимо наблюдателя (или поступают в детектор). Эту величину называют частотой излучения ν. Поскольку для всех электромагнитных волн скорость в вакууме (с) одинакова, по частоте легко определить длину волны λ:
λ = с/ν.
Мы просто делим путь, пройденный светом за секунду, на число колебаний за то же время и получаем длину одного колебания. Длина волны — очень важный параметр, поскольку она определяет пограничный масштаб: на расстояниях заметно больше длины волны излучение подчиняется законам геометрической оптики, его можно описывать как распространение лучей. На меньших расстояниях совершенно необходимо учитывать волновую природу света, его способность обтекать препятствия, невозможность точно локализовать положение луча и т. п.
Из этих соображений, в частности, следует, что невозможно получить изображение объектов, если их размер порядка или меньше длины волны излучения, на которой ведется наблюдение. Это, в частности, ставит предел возможностям микроскопов. В видимом свете невозможно рассмотреть объекты размером менее полмикрона; соответственно, увеличение больше чем 1-2 тысячи раз для оптического микроскопа лишено смысла.
Далее: История открытия электромагнитных волн
