Что такое электромагнитные волны? :: SYL.ru

Электромагнитные волны, если верить физике, являются одними из наиболее загадочных. В них энергия фактически исчезает в никуда, появляется непонятно откуда. Больше ни одного такого подобного объекта нет во всей науке. Как же происходят все эти чудесные взаимопревращения?

Электродинамика Максвелла

А началось все с того, что ученый Максвелл в далеком 1865 году, опираясь на работы Фарадея, вывел уравнение электромагнитного поля. Сам Максвелл считал, что его уравнения описывали кручение и натяжение волн в эфире. Через двадцать три года Герц экспериментально создал такие возмущения в среде, причем удалось не только согласовать их с уравнениями электродинамики, но и получить законы, управляющие распространением этих возмущений. Возникла любопытная тенденция объявлять любые возмущения, которые имеют электромагнитный характер, волнами Герца. Однако эти излучения – не единственный способ осуществления передачи энергии.

Беспроводная связь

На сегодняшний день к возможным вариантам осуществления подобной беспроводной связи относят:

— электростатическую связь, которую также называется емкостной;

— индукционную;

— токовую;

— связь Теслы, то есть связь волн электронной плотности по проводящим поверхностям;

— широчайший спектр наиболее распространенных носителей, которые называются электромагнитные волны – от сверхнизких частот до гамма-излучения.

Стоит рассмотреть эти виды связи более подробно.

Электростатическая связь

Два диполя являются связанными электрическими силами в пространстве, что является следствием закона Кулона. От электромагнитных волн данный тип связи отличается возможностью связать диполи при расположении их на одной линии. С увеличением расстояний сила связи затухает, а также наблюдается сильное влияние различных помех.

Индукционная связь

Основана на магнитных полях рассеяния индуктивности. Наблюдается между объектами, которые имеют индуктивность. Применение ее довольно ограничено ввиду близкодействия.

Токовая связь

Благодаря токам растекания в проводящей среде может возникнуть определенное взаимодействие. Если через терминалы (пара контактов) пропустить токи, то эти самые токи можно обнаружить на значительном расстоянии от контактов. Именно это и называется эффектом растекания токов.

Связь Теслы

Знаменитый физик Никола Тесла изобрел связь с помощью волн на проводящей поверхности. Если в каком-то месте плоскости нарушить плотность носителя заряда, то эти носители начнут движение, которое будет стремится к восстановлению равновесия. Так как носители обладают инерционной природой, то восстановление носит волновой характер.

Электромагнитная связь

Излучение электромагнитных волн отличается огромным дальнодействием, так как их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию до источника. Именно этот способ беспроводной связи получил наибольшее распространение. Но что такое электромагнитные волны? Для начала необходимо осуществить небольшой экскурс в историю их открытия.

Как «появились» электромагнитные волны?

Началось все в 1829 году, когда американский физик Генри обнаружил возмущения электрических разрядов в экспериментах с лейденскими банками. В 1832 году физиком Фарадеем было выдвинуто предположение о существовании такого процесса, как электромагнитные волны. Максвелл в 1865 году создал свои знаменитые уравнения электромагнетизма. В конце девятнадцатого века было много успешных попыток создания беспроводной связи с помощью электростатической и электромагнитной индукции. Знаменитый изобретатель Эдисон придумал систему, которая позволяла пассажирам железной дороги отправлять и получать телеграммы прямо во время движения поезда. В 1888 году Г. Герц однозначно доказал то, что электромагнитные волны появляются с помощью устройства, названного вибратором. Герц осуществил опыт по передаче электромагнитного сигнала на расстояние. В 1890 году инженер и физик Бранли из Франции изобрел устройство для регистрации электромагнитных излучений. Впоследствии этот прибор был назван «радиокондуктор» (когерер). В 1891-1893 годах Никола Тесла описал основные принципы осуществления передачи сигналов на большие расстояния и запатентовал мачтовую антенну, которая являлась источником электромагнитных волн. Дальнейшие заслуги в изучении волн и технической реализации их получения и применения принадлежат таким знаменитым физикам и изобретателям, как Попов, Маркони, де Мор, Лодж, Мирхед и многим другим.

Понятие «электромагнитная волна»

Электромагнитная волна – это явление, которое распространяется в пространстве с определенной конечной скоростью и являет собой переменное электрическое и магнитное поле. Так как магнитные и электрические поля неразрывно связанны друг с другом, то они образуют электромагнитное поле. Также можно сказать, что электромагнитная волна – это возмущение поля, причем во время своего распространения энергия, которая есть у магнитного поля, переходит в энергию поля электрического и обратно, согласно электродинамике Максвелла. Внешне это похоже на распространение любой другой волны в любой другой среде, однако есть и существенные отличия.

Отличие электромагнитных волн от других?

Энергия электромагнитных волн распространяется в довольно непонятной среде. Чтобы сравнивать эти волны и любые другие, необходимо понять, о какой среде распространения идет речь. Предполагается, что внутриатомное пространство заполняет электрический эфир – специфическая среда, которая является абсолютным диэлектриком. Все волны во время распространения проявляют переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. При этом у этих энергий сдвинуты максимум во времени и пространстве относительно друг друга на одну четвертую полного периода волны. Средняя энергия волны при этом, являясь суммой потенциальной и кинетической энергии, является постоянной величиной. Но с электромагнитными волнами дело обстоит иначе. Энергии и магнитного и электрического поля достигают максимальных значений одновременно.

Как возникает электромагнитная волна?

Материя электромагнитной волны – это электрическое поле (эфир). Движущееся поле является структурированным и складывается из энергии его движения и электрической энергии самого поля. Поэтому потенциальная энергия волны связанна с кинетической и синфазна. Природа электромагнитной волны представляет собой периодическое электрическое поле, которое находится в состоянии поступательного движения в пространстве и движется со скоростью света.

Токи смещения

Есть и другой способ объяснить, что собой представляют электромагнитные волны. Предполагается, что в эфире возникают токи смещения при движении неоднородных электрических полей. Возникают они, естественно, только для неподвижного стороннего наблюдателя. В момент, когда такой параметр как напряженность электрического поля достигает своего максимума, ток смещения в данной точке пространства прекратится. Соответственно, при минимуме напряженности получается обратная картина. Этот подход проясняет волновую природу электромагнитного излучения, так как энергия поля электрического оказывается сдвинутой на одну четвертую периода по отношению к токам смещения. Тогда можно сказать, что электрическое возмущение, а точнее энергия возмущения, трансформируется в энергию тока смещения и обратно и распространяется волновым образом в диэлектрической среде.

Электромагнитные волны

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.

Рисунок 2.6.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Рисунок 2.6.2. Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

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).

Рисунок 2.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы  ,    и  взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные:

ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м,

μ₀ = 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

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

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 / μμ₀. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

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

где E₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

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).

Рисунок 2.6.4. Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

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

Рисунок 2.6.5. Излучение элементарного диполя

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.

Электромагнитная волна — это… Что такое Электромагнитная волна?

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны зависит от скорости 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 (принцип максимальности скорости света не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации в любом случае не превышает световой скорости).

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения занимается электродинамика.

Существуют различные теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из них 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 позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.

Некоторые особенности электромагнитных волн c 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 — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей 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

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 постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть

микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазоны частот.

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

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

Инфракрасное излучение (Тепловое)

Видимое излучение (Оптическое)

Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет 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 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, 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

Жёсткое излучение

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. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

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, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл рассчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.

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.

Электромагнитная безопасность

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других 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, СВЧ-излучения и др..

Влияние на живые существа

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

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.

Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение может влиять на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Возможно развитие трудно поддающихся лечению заболеваний, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные радиотелефоны.^[1] Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

В России действует СанПиН 2.2.4.1191—03 Электромагнитные поля в производственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, а также гигиенические нормативы ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц Промышленное электроснабжение 50 Гц ^[2][3]

• Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:

Украина: 2,5 мкВт/кв.см. (самая жёсткая санитарная норма в Европе)

Россия, Венгрия: 10 мкВт/кв.см.

США, Скандинавские страны: 100 мкВт/кв.см.

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 (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, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи.»

Проникающая неионизирующая радиация

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Влияние на радиотехнические устройства

Существует административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Укрчастотнадзор), которая регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром.

См. также

Ссылки

Литература

• 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

Примечания

1. ↑ В. Н. Дунаев «Электромагнитные излучения и риск популяционному здоровью при использовании средств сотовой связи» //Гигиена и санитария, № 6, 2007, с. 56—57
2. ↑ ПДУ магнитных полей частот 50 Гц. Харьков, 1986, СН-3206-85.2
3. ↑ Методические указания но гигиенической оценке основных параметров полей частотой 50Гц. Харьков, 1986. СН 3207-85

Wikimedia Foundation. 2010.

Электромагнитные волны (Ерюткин Е.С.). Видеоурок. Физика 9 Класс

Мы уже имеем представление, что такое электромагнитное поле. Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах. Вопрос этот важный, хотя бы потому, что вся наша жизнь связана с телевидением, с радио, с мобильной связью, а ведь все это осуществляется за счет электромагнитных волн.

Мы уже говорили в 9 классе, что такое механические волны, какими они бывают: продольными, поперечными.

Как вы знаете, волной называется распространяющееся в пространстве возмущение. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Мы знаем, что электромагнитным полем является взаимосвязь электрических и магнитных полей. Так вот волна – это и есть распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, электромагнитное возмущение.

Теорию электромагнитной волны и электромагнитного поля впервые создал английский ученый Максвелл. Он показал, что электрические и магнитные поля существуют вместе. Но, оказывается, они могут существовать совершенно изолированно от какого-либо вещества. Вспомните, звуковые волны могут быть только там, где есть среда. Вообще, механические волны могут существовать только там, где есть вещество, т.е. колебания, которые происходят с частицами, могут передаваться там, где есть частицы, способные передавать это возмущение. Что касается электромагнитного поля, то оно может существовать даже там, где этого вещества нет, где нет никаких частиц.

Итак, электромагнитное поле существует в вакууме, значит, если мы создадим определенные условия и сможем создать общее электромагнитное возмущение в пространстве, то это возмущение может распространяться по всем направлениям, именно это и будет электромагнитная волна.

Первым человеком, которому удалось произвести излучение электромагнитной волны и прием электромагнитной волны, был немецкий ученый Г. Герц. Ему первому удалось создать такую установку по излучению и приему электромагнитной волны. Какие же принципы лежали в основе его эксперимента?

Для излучения электромагнитной волны требуется достаточно быстро и ускоренно движущийся электрический заряд. Г. Герц в своих опытах установил: чтобы получить довольно ощутимую электромагнитную волну, движущийся электрический заряд должен осуществлять колебания с высокой частотой, порядка нескольких десятков тысяч герц. Если такое колебание происходит, то вокруг этого заряда будет формироваться переменное электромагнитное поле и распространяться во все стороны. Это и будет электромагнитная волна.

Кроме того, электромагнитная волна обладает определенными свойствами. Эти свойства как раз и были указаны в работе Максвелла. Во-первых, электромагнитная волна распространяется со скоростью, которую мы привыкли называть скорость света. Эта скорость (мы будем ее называть скорость электромагнитной волны) составляет 300000 км/с.

Еще один факт: электромагнитная волна – поперечная.

Рис. 1. Поперечная электромагнитная волна

3. Электромагнитные волны.

Электромагнитное поле. Электромагнитное поле — особая форма материи, через которую осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электромагнитная волна. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в определенном направлении, в частотном диапазоне и конечной скоростью, зависящими от свойств среды.

Исследования электромагнитных волн Д. Максвеллом и Г. Герцем. Теорию электромагнитной волны и электромагнитного поля впервые обосновал (1864г.) Джеймс Максвелл. Он показал, что электрические и магнитные поля существуют вместе. Дж. Максвелл доказал, что переменный ток создает переменное магнитное поле, которое в свою очередь создает переменное электрическое поле и т.д. Поддерживая в проводнике переменный ток, который периодически изменяется по величине и направлению, Герц получил непрерывное излучение электромагнитных волн.

Электромагнитная волна как процесс взаимосвязанного изменения векторов Е и В. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического (Е) и магнитного (В) полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Два условия электромагнитного волнового процесса. Для электромагнитного волнового процесса необходимы два условия: излучение волн и их прием.

Изобретение радио. А.С. Попов. Изобретение первого радиоприемного устройства принадлежит А.С. Попову. В своих опытах А. Попов использовал заземлённую мачтовую антенну, изобретённую в 1893 году Теслой. А.С. Попов (1859 – 1906) — русский физик и электроротехник, профессор, изобретатель, Почётный инженер-электрик (1899). Один из изобретателей радио.

Свойства электромагнитной волны. Электромагнитные волны являются поперечными – колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Синфазность напряженностей Е и В в распространяющейся волне. Е – напряженность электрического поля; В — напряженность магнитного поля. Скорость волны С направлена вдоль оси X. Векторы E и B в каждой точке оси X совершают синусоидальные колебания вдоль осей Y и Z соответственно, меняясь при этом синфазно.

Длина электромагнитной волны. Длина волны λ — это расстояние между двумя ближайшими точками оси X, в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (например, между двумя ближайшими максимумами поля).

Частота электромагнитной волны. Частотой электромагнитной волны называется частота, с которой меняются значения E и B в данной точке пространства. Частота волны совпадает с частотой колебаний излучающего заряда.

Основные свойства волновых процессов в электромагнитном поле. Экспериментально было выяснено, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов: 1. Отражение; 2. Поглощение; 3. Преломление; 4. Интерференция; 5. Дифракция.

Отражение электромагнитной волны. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа – это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения.

Поглощение электромагнитной волны. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик.

Преломление электромагнитной волны. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков).

Интерференция электромагнитной волны. Герц определил, что из двух волн первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после отражения от металлического листа.

Дифракция электромагнитной волны. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны.

Демонстрации:

Силовые линии магнитного поля.

Защита Земли магнитным полем от солнечной радиации.

Опыт Ханса Эрстеда.

Опыты с магнитным полем Анри Ампера.

Устройство и работа электродвигателя.

Опыт Фарадея переменным магнитным полем.

Опыт Фарадея с индукционным током.

Генератор переменного электрического тока Фарадея.

Устройство и работа трансформатора.

Кипячение воды трансформатором.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте физические характеристики магнитного поля тока.

2. Объясните, в чем основная силовая характеристика магнитного поля.

3. Определите доказательно на примерах, в чем значение магнитного поля для жизни на Земле.

4. Сформулируйте закон взаимодействия электрических токов — закон Ампера.

5. Дайте определение электродвигателю.

6. Дайте определение переменному электрическому току.

7. Раскройте физические характеристики явления электромагнитной индукции.

8. Раскройте значение открытия Фарадеем электромагнитной индукции.

9. Назовите выводы Фарадея о существовании индукционного электрического тока.

10. Сформулируйте понятие и дайте определение индукционному электрическому току.

11. Назовите теоретические выводы М. Фарадея об электромагнитной индукции.

12. Дайте определение электромагнитной индукции.

13. Дайте определение генератору переменного электрического тока.

14. Дайте определение и назовите основные элементы электрогенератора.

15. Покажите на примерах использование электрогенераторов в промышленных целях.

16. Каким образом электроэнергия передается на дальние расстояния?

17. Дайте определение трансформатору.

18. Назовите основные исторические этапы создания трансформаторов.

19. Дайте определение электромагнитной волны.

20. Дайте определение электромагнитному полю.

21. Покажите доказательно значение исследований электромагнитных волн Д. Максвеллом и Г. Герцем.

22. Объясните векторные особенности электромагнитной волны как процесса взаимосвязанного изменения векторов Е и В.

23. Назовите два условия электромагнитного волнового процесса.

24. Значение исследований А.С. Попова в изобретении радио.

25. Определите физические свойства электромагнитной волны.

26. Что такое синфазность напряженностей Е и В в распространяющейся волне?

27. Объясните смысл понятия: «Длина электромагнитной волны».

28. Объясните смысл понятия: «Частота электромагнитной волны».

29. Сформулируйте основные свойства волновых процессов в электромагнитном поле.

30. Охарактеризуйте физическими терминами суть отражения электромагнитной волны.

31. Охарактеризуйте физическими терминами суть поглощения электромагнитной волны.

32. Охарактеризуйте физическими терминами суть преломления электромагнитной волны.

33. Охарактеризуйте физическими терминами суть интерференции электромагнитной волны.

34. Охарактеризуйте физическими терминами суть дифракции электромагнитной волны.

Литература:

1. Ахмедова Т.И., Мосягина О.В. Естествознание: Учебное пособие / Т.И. Ахмедова, О.В. Мосягина. – М.: РАП, 2012. – С. 51-84.

Электромагнитные волны и свет. Часть 2. Как происходит распространение электромагнитных волн

Механические волны – это распространение смещения атомов вещества, поэтому наличие этих атомов обязательно, без вещества они распространяться не могут.

Электромагнитные волны – это распространение изменений характеристик поля. Поэтому наличие или отсутствие вещества может повлиять только на сами изменения характеристик поля, но не на сам факт распространения электромагнитных волн. Так что связь посредством электромагнитных волн будет работать и в вакууме, и наоборот при наличии плотных преград.

---

 

Есть ли у поля граница?

Когда мы описываем взаимодействие зарядов, мы говорим о поле вблизи заряда. Речь пойдет об электрическом поле, но оно является проявлением электромагнитного, так что к нему применимы те же выводы.

Если поднести два заряда друг к другу, они притянутся или оттолкнутся. Вокруг заряда есть поле, и мы часто говорим об ограниченной области вблизи заряда, именно туда нужно поместить второй заряд, чтобы наблюдать взаимодействие.

А есть ли границы у этой области, внутри которых поле есть, а дальше – нет? По закону Кулона, сила электростатического взаимодействия зарядов равна:

Сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На больших расстояниях сила  будет мала, она не будет заметно влиять на движение тел, ее не зарегистрируют доступные нам приборы, поэтому ею можно пренебречь и считать ее нулевой. Однако считать, что поле где-то заканчивается, неправильно (см. рис. 2).

Рис. 2. Зависимость силы взаимодействия от расстояния

 

Мы разобрали модель: заряд в свободном пространстве, и его поле есть везде, на любом исчислимом расстоянии от заряда. В реальном мире такого нет: бесконечное свободное пространство и в нем одно заряженное тело. В реальном мире множество заряженных тел, вещество состоит из заряженных протонов и электронов. Поэтому можно рассматривать такую модель: не поле есть вблизи заряда, а поле есть везде, как некая материя, пронизывающая все пространство. И поэтому электромагнитные волны могут распространяться так же по всему пространству. А заряды и то, как они расположены, влияет на параметры этого поля в разных точках. Вдали от зарядов поле слабее, вблизи заряда поле сильнее, вблизи другого заряда – еще сильнее. Где-то заряды распределены так, что их поля в сумме дают ноль или почти ноль, например внутри проводника. Как эти неоднородности влияют на распространение волны – это отдельная задача: где-то меняют направление, где-то отражаются и т. д. Но принципиальное отличие от механических волн, для распространения которых нужно вещество, мы увидели.

---

Чтобы использовать какое-то явление, в том числе электромагнитные волны, нужно их описать, нужна модель. Причем модель должна быть простой, нет смысла рассматривать процессы подробнее, чем нужно для решения прикладных задач: построить прибор, предсказать ход процесса с требуемой точностью. Эту точность мы определяем сами, здесь важен наш опыт и способность принимать решения, об этом – в ответвлении.

---

 

Как мы выбираем точность модели?

Навстречу друг другу катятся два шара, даны их массы  и  и скорости  и . Найдите скорости шаров после упругого столкновения.

Как вы решите такую задачу? Здесь все просто: столкновение, скорее всего, лобовое, применим закон сохранения импульса и закон сохранения энергии (см. рис. 3).

Что такое электромагнитные волны — Класс!ная физика

Что такое электромагнитные волны

«Физика — 11 класс»

Механические волны распространяются только в упругих средах: газе, жидкости или твердом теле.
Однако электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения.
Электромагнитное поле может существовать в вакууме.
Несмотря на существенное отличие, электромагнитные волны при распространении ведут себя подобно механическим.

Распространение электромагнитных взаимодействий

Электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Максвелл математически доказал, что скорость распространения «возмущения» электромагнитного поля равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна.

Пусть электрический заряд был приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой.
Заряд движется подобно телу, подвешенному на пружине, но только колебания его происходят со значительно большей частотой.
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 оно, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все бо́льшие и бо́льшие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей.

На рисунке показаны векторы и в различных точках пространства.
ОZ — одно из направлений распространения электромагнитных возмущений.

Образуется электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда.

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

Колебания векторов и в любой точке совпадают по фазе.
Кратчайшее расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах, есть длина волны λ.
В данный момент времени векторы и меняются в пространстве по оси Z по закону синуса с периодом λ.

Направления этих двух колеблющихся векторов — напряженности электрического поля и индукции магнитного поля — перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны направлению распространения волны.
Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора к вектору , то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с направлением вектора скорости волны .

Излучение электромагнитных волн

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 у движущихся зарядов — главное условие излучения ими электромагнитных волн.

Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом достаточно быстром изменении его скорости.
Интенсивность излучаемой волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля, подобно развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу.
При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность.
Поле «отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в любой фиксированный момент времени меняется периодически в пространстве, вместе с изменением векторов и .
Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью вдоль направления распространения волны.
В результате этого энергия, переносимая электромагнитной волной в любой точке пространства, меняется периодически со временем.

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 Г. Герцем.

лектромагнитные волны возникают из-за того, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле.
Это переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле.
Электромагнитная волна переносит энергию.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Что такое электромагнитная волна — Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн — Плотность потока электромагнитного излучения — Изобретение радио А. С. Поповым. Принципы радиосвязи — Модуляция и детектирование — Свойства электромагнитных волн — Распространение радиоволн — Радиолокация — Понятие о телевидении. Развитие средств связи — Краткие итоги главы