Электромагнитных волн: Электромагнитное излучение — Википедия – Электромагнитные волны — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

электромагнитные волны — это… Что такое электромагнитные волны?

В однородной и изотропной среде, свободной от зарядов и токов, уравнения Максвелла приводят к волновым уравнениям, которые показывают, что электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн, скорость которых равна n = 1/v(ee_оmm_о) = с/v(em), где e_о и m_о — электрическая и магнитная постоянные, e и m — электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме эта скорость равна скорости света, так как e= 1 и m= 1. В веществе скорость распространения электромагнитных волн всегда меньше, чем в вакууме.
Колебания электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электромагнитного поля для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов удовлетворяют волновым уравнениям:
DЕ = d²Е/v²dt²
DН = d²Н/v²dt²
где D = d²/dx² + d² /dy² + d²/dz²_— оператор Лапласа (см. ЛАПЛАСА ОПЕРАТОР), v — фазовая скорость. Всякая функция, удовлетворяющая этим уравнениям, описывает некоторую волну. Следовательно, электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн.
В отличие от статического электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника, электромагнитная волна существует без источника в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле не связано с источником.
Независимо от природы электромагнитные волны обладают общими свойствами. На скорость и характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн ( см. ДИСПЕРСИЯ ВОЛН), вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн (см. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН), интерференция волн (см. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН), полное внутреннее отражение (см. ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ) и другие явления, свойственные волнам любой природы.
Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются ее электрические или магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.
В бегущей монохроматической электромагнитной волне плотности энергии электрического и магнитного полей, совершая гармоническое колебание с частотой 2w, равны друг другу в каждой точке в любой момент времени.
Колебания электрического и магнитного полей происходят во времени в одинаковой фазе, то есть электрическое и магнитное поля одновременно достигают минимумов и максимумов. Напряженности электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне взаимосвязаны:
v(ee_о)^.Е = v(mm_о)^.Н, причем эти соотношения связывают как мгновенные, так и амплитудные значения полей.

Электромагнитные волны различных частотных диапазонов характеризуются различными способами возбуждения. Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур (см. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР) или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или соответственно переменное магнитное поле. На расстоянии от источника много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические электромагнитные волны. Они поперечные и линейно поляризованы. Монохроматическую и когерентную волну излучает гармонический осциллятор ( см. ОСЦИЛЛЯТОР). Ее рассматривают как монохроматическую волну, у которой постоянна частота колебаний. Свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на то, что эти волны поперечные.
В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации. В общем случае концы поляризованной плоской волны описывают эллипсоид, и такая волна называется поляризованной эллиптически. Поляризация электромагнитной волны — очень важное ее свойство. От положения плоскости поляризации по отношению к отражающей поверхности зависит коэффициент отражения волны, степень поглощения волны кристаллами и характер рассеяния неоднородностями. Реальные электромагнитные волны имеют более сложную структуру, и на практике когерентной называют волну, у которой не меняется фаза за время наблюдения того или иного явления.
Характер изменения во времени Е и Н электромагнитной волны определяется законом изменения тока I и зарядов e, ее возбуждающих. Однако ее форма повторяет форму тока только в случае, если электромагнитные волны распространяются в линейной среде, электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н.
Частота колебаний электрического и магнитного полей в электромагнитной волне связана с длиной волны соотношением: l= с/n.
Электромагнитная волна обладает энергией, импульсом, массой, а если она является эллиптически- и циркулярнополяризованной, то обладает еще и моментом импульса.
Электромагнитная волна переносит энергию. Средняя величина энергии плоской поляризованной волны = ee_oA²/2 Дж/см³.
Энергия волны Е_в, протекающая через поверхность S , перпендикулярную распространению волны, за время t , равна Е_в = cSt. Величину I =c называют интенсивностью.
Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами, то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Когда волна поглощается, ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает, следовательно, при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Давление электромагнитных волн объясняется том, что под действием электрического поля волны заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля действию сил Лоренца. Однако величина этого давления ничтожно мала. Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс, модуль которого равен энергии, деленной на скорость света. Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым ( см. ЛЕБЕДЕВ Петр Николаевич) в 1900 г.
Появление квантовых генераторов, в частности лазеров (см. ЛАЗЕР), позволило получить значения напряженности электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитной волны в нелинейной среде (
см. НЕЛИНЕЙНАЯ СРЕДА) ее форма изменяется.
В зависимости от длины электромагнитных волн существуют различные способы их излучения и регистрации, такие волны по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света независимо от частоты колебаний. Радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение находят свое место в единой шкале электромагнитных волн (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА), причем между соседними диапазонами шкалы нет резкой границы. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики.
Источниками низкочастотных колебаний с частотой n — до 10³ Гц, и длиной волны l порядка 10³ — 10^-4м, являются генераторы переменного тока; электромагнитные волны такой длины применяются в электротехнике. Диапазон радиоволн простирается от длинных ДВ до ультракоротких УКВ и СВЧ волн. Источниками возбуждения радиоволн с частотой 3^.10⁵— 3.10¹² Гц и длиной волны l — 3.10⁵ м, являются генераторы радиочастот, СВЧ-генераторы, массовые излучатели, ламповые генераторы; электромагнитные волны такого диапазона применяются в радиотехнике, телевидении, радиосвязи, радиолокации. Для радиоволны простейшим излучателем является электрический диполь — отрезок проводника, по которому протекает переменный ток. Такой диполь называется антенной.
Источником возбуждения инфракрасного излучения частотой порядка 10¹² Гц и длинами волн порядка 3^.10^-3 м, является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Источником возбуждения ультрафиолетового излучения с частотой порядка 7,5^.10¹⁴ Гц, а также мягкого рентгеновского излучения, используемого в медицине, является излучение атомов при воздействии на них ускоренных электронов. Для возбуждения волн оптического и рентгеновского диапазонов характерны процессы, происходящие внутри атомов вещества, а для g-лучей — внутриядерные процессы. Процессы в атомах при воздействии на них ускоренных заряженных частиц сопровождаются гамма-излучением (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ).
Еще более коротковолновое излучение возникает при торможении быстро заряженных частиц в веществе. Переход атомного ядра из одного состояния в другое или, например, аннигиляция частиц приводят к испусканию g-излучения — электромагнитных волн с наиболее высокими частотами колебаний. Жесткое гамма-излучение сопровождает ядерные процессы и радиоактивный распад (см. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД).
Электромагнитному излучению присущи черты дискретности. По мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам) волновые свойства электромагнитных волн (интерференция (см. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН), дифракция (см. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН), поляризация (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН)) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых определяющую роль играет энергия hn, проявляются сильнее. На высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне, и тем более в диапазонах рентгеновских и гамма-лучей, излучение и поглощение электромагнитных волн может быть описано только на основе представлений о дискретности этих процессов.
Во многих случаях электромагнитное излучение ведет себя не как набор монохроматических электромагнитных волн с определенной частотой, а как поток квазичастиц — фотонов (см. ФОТОН (элементарная частица)). В первую очередь это относится к электромагнитному излучению высокой частоты. А. Эйнштейн (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт) обобщил идею М. Планка (см. ПЛАНК Макс) о дискретности излучения, предположив, что такая дискретность не связана с каким-то особым механизмом взаимодействия излучения с веществом, а внутренне присуща самому электромагнитному излучению, которое представляет собой кванты — фотоны. Эти представления получили экспериментальное подтверждение — на их основе были объяснены закономерности фотоэффекта (см. ФОТОЭФФЕКТ) и эффекта Комптона (см. КОМПТОНА ЭФФЕКТ). Но наряду с корпускулярными свойствами фотон обладает и волновыми свойствами. Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в представление об электромагнитных волнах. Рентгеновское излучение, гамма-излучение обычно рассматриваются как поток квантов- корпускул с энергией ђ, где ђ — постоянная Планка. Законы излучения атомов и молекул также объясняет квантовая теория излучения. На ее основе построены когерентные излучатели микроволн и световых волн — мазеры (см. МАЗЕР) и лазеры (см. ЛАЗЕР).

электромагнитные волны (билет 10)

Квинтэссенции рефератов для подготовки к экзамену по ФОЗИ.

Выполнил студент группы ЗИ-22 Сахау Азат.

7) Электромагнитные волны.

Электромагнитная волна представляет собой процесс распространения в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом. Экспериментально электромагнитные волны были открыты и изучены Герцем.

Основными свойствами электромагнитных волн являются:

поглощение;
рассеяние;
преломление;
отражение;
интерференция;
дифракция;
поляризация;

Электромагнитные волны и их характеристика.

Существование электромагнитных волн было предсказано английским физиком Майклом Фарадеем. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — возбуждение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Он является основоложником учения об электромагнитных явлениях, в котором электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью многочисленных опытов Фарадей доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависит от способа их получения.

Взаимопревращения электрического и магнитного полей

Согласно теории Максвелла, в каждой точке пространства изменение электрического поля создает переменное вихревое магнитное поле, вектора В магнитной индукции которого лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору Е напряженности электрического поля. Механическое уравнение, выражающее эту закономерность, называется первым уравнением Максвелла. Изменение во времени индукции магнитного поля создает переменное вихревое электрическое поле, векторы Е напряженности которого лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору В. Математическое уравнение, описывающее эту закономерность, называется вторым уравнением Максвелла. Из уравнения Максвелла следует, что возникшее в какой-либо точке изменение во времени магнитного (или электрического) поля будет перемещаться от одноц точки к другой, при этом будут происходить взаимные превращения этих полей, т.е. будет происходить распространение электромагнитных взаимодействий в пространстве.

В 1865 году Дж. Максвелл теоретически доказал, что электромагнитные колебания распространяются в вакууме с конечной скоростью, равной скорости света: с = 3 * 10^8 м/с.

В 1888 году электромагнитные волны были впервые экспериментально обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894), что сыграло решающую роль для утверждения максвелловской теории электромагнитных волн.

Таким образом, электромагнитные волны — это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.

Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.

где — длина волны; с — скорость света в вакууме; Т — период колебаний; v — частота колебаний. Скорость света в вакууме с= 3 * 10^8 м/с.

При распространении электромагнитных волн в какой-либо другой среде скорость волны изменяется и длина волны , где u — скорость волны в среде. В атмосфере скорость практически можно принять равной скорости света в вакууме.

Скорость u электромагнитной волны в среде определяется из формулы Максвелла:

где е — относительная диэлектрическая проницаемость среды, — относительная магнитная проницаемость среды.

Скорость распространения электромагнитных волн в данной среде совпадает со скоростью света в этой среде, что является одним из обоснований электромагнитной природы света.

Основная характеристика электромагнитных волн — это частота их колебаний v (или период Т). Длина волны л меняется при переходе из одной среды в другую, в то время как частота остается неизменной. Электромагнитные волны являются поперечными волнами.

Распространение электромагнитных волн связано с переносом энергии электромагнитного поля волны, которая переносится в направлении распространения волны, т.е. в направлении вектора v. Наряду с энергией электромагнитная волна обладает импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает.

Отсюда следует, что при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду.

Плотностью потока электромагнитного излучения I (интенсивностью электромагнитной волны) называют отношение электромагнитной энергии W, проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время t:

где W — электромагнитная энергия, прошедшая за время t через поверхность площадью S.

Единицей измерения интенсивности электромагнитного излучения I является ватт на м [вт/м ].

Плотность потока излучения (интенсивность электромагнитной волны) равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость её распространения:

где — магнитная постоянная в СИ.

Интенсивность электромагнитной волны пропорциональна среднему значению произведения модулей векторов Е и В электромагнитного поля, т.е. пропорциональны квадрату напряженности Е:

Свойства электромагнитных волн

В предыдущем параграфе мы рассмотрели опыты с генератором электромагнитных волн высокой частоты. Он был удобен тем, что вы могли видеть как источник волн, так и приёмник – антенну из двух проволок. Для следующих опытов возьмём генератор и приёмник электромагнитных волн сверхвысокой частоты. Чем больше частота, тем короче может быть антенна. Ниже показаны передатчик и приёмник, антенны которых настолько малы, что поместились внутри рупоров, удобных для опытов.

Отражение волн. Расположим рупоры передатчика и приёмника вблизи друг друга, наклонив их вниз. Электромагнитная волна не будет попадать в приёмный рупор, поэтому стрелка вольтметра будет на нуле. Изменим условия опыта – расположим между рупорами металлическую пластину. Теперь излучённая передатчиком электромагнитная волна отразится от электропроводящей поверхности и попадёт в рупор приёмника, поэтому вольтметр покажет наличие сигнала (см. рисунок).

Преломление волн. Расположим рупоры передатчика и приёмника напротив, немного опустив передатчик. При включении генератора вольтметр отметит отсутствие сигнала. Теперь поместим между рупорами куб из пластмассы, и вольтметр отметит наличие сигнала (см. рисунок). Так может произойти только в том случае, если испущенная передатчиком электромагнитная волна преломляется внутри диэлектрика.

Дифракция волн. Как мы уже отметили в § 11-г, дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий. Для наблюдения дифракции электромагнитных волн продолжим опыты с теми же приборами.

Расположим рупоры напротив друг друга. При включении генератора вольтметр отметит наличие сигнала. Теперь закроем приёмный рупор электропроводящим металлическим диском. Вольтметр отметит отсутствие сигнала. Передвинем теперь диск на середину между рупорами. Вольтметр снова отметит наличие сигнала, хотя, и более слабого, чем прежде. Сделаем вывод: электромагнитная волна, частично огибая диск, попадает в рупор приёмника (см. рисунок).

Интерференция волн. Как мы уже отметили в § 11-г, интерференция – это наложение нескольких волн, при котором возникает перераспределение их энергии, приводящее к возникновению областей с чередующимися усилениями и ослаблениями колебаний (то есть областей, куда энергия, переносимая волнами, попадает в меньшей или большей степени).

Для подготовки к наблюдению интерференции направим излучающий рупор на два металлических листа, расположенные под углом, чуть меньшим 180° (см. рисунок). Будем передвигать приёмный рупор в зоне между крайними красными стрелками. Ими мы показали области, где приёмник обнаружит максимумы притока энергии волн. В промежутке между стрелками приёмник отметит минимумы поступления энергии.

Шкала электромагнитных волн — это… Что такое Шкала электромагнитных волн?

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 $\mathit E(t)\,$ и магнитного $\mathit H(t)\,$ 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

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

Wikimedia Foundation. 2010.

электромагнитные волны — это… Что такое электромагнитные волны?

ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНЫЕ ВО́ЛНЫ, электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Электромагнитной волной называют распространяющееся электромагнитное поле (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ).
Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем (см. ФАРАДЕЙ Майкл) еще в 1832 г. Дж. Максвелл (см. МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк) в 1865 г. в результате анализа предложенной им системы уравнений (см. Максвелла уравнения (см. МАКСВЕЛЛА УРАВНЕНИЯ)), описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458±1,2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.
В 1888 г. теория электромагнитных волн получила экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца (см. ГЕРЦ Генрих Рудольф). Используя источник высокого напряжения и вибраторы (см. Герца вибратор (см. ГЕРЦА ВИБРАТОР)), Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты по определению скорости распространения электромагнитной волны и ее длины. Экспериментально подтвердилось, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света, что доказывало электромагнитную природу света.
В электродинамике (см. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА) электромагнитное поле описывается четырьмя уравнениями Максвелла, благодаря которым существует возможность единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что они представляют собой не излучения различной природы, а электромагнитные волны с различной длиной волны.
В однородной и изотропной среде, свободной от зарядов и токов, уравнения Максвелла приводят к волновым уравнениям, которые показывают, что электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн, скорость которых равна n = 1/v(ee_оmm_о) = с/v(em), где e_о и m_о — электрическая и магнитная постоянные, e и m — электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме эта скорость равна скорости света, так как e= 1 и m= 1. В веществе скорость распространения электромагнитных волн всегда меньше, чем в вакууме.
Колебания электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электромагнитного поля для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов удовлетворяют волновым уравнениям:
DЕ = d²Е/v²dt²
DН = d²Н/v²dt²
где D = d²/dx² + d²/dy² + d²/dz²_— оператор Лапласа (см. ЛАПЛАСА ОПЕРАТОР), v — фазовая скорость. Всякая функция, удовлетворяющая этим уравнениям, описывает некоторую волну. Следовательно, электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн.
В отличие от статического электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника, электромагнитная волна существует без источника в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле не связано с источником.
Независимо от природы электромагнитные волны обладают общими свойствами. На скорость и характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн (см. ДИСПЕРСИЯ ВОЛН), вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн (см. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН), интерференция волн (см. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН), полное внутреннее отражение (см. ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ) и другие явления, свойственные волнам любой природы.
Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются ее электрические или магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.
В бегущей монохроматической электромагнитной волне плотности энергии электрического и магнитного полей, совершая гармоническое колебание с частотой 2w, равны друг другу в каждой точке в любой момент времени.
Колебания электрического и магнитного полей происходят во времени в одинаковой фазе, то есть электрическое и магнитное поля одновременно достигают минимумов и максимумов. Напряженности электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне взаимосвязаны:
v(ee_о)^.Е = v(mm_о)^.Н, причем эти соотношения связывают как мгновенные, так и амплитудные значения полей.
Электромагнитные волны различных частотных диапазонов характеризуются различными способами возбуждения. Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур (см. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР) или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или соответственно переменное магнитное поле. На расстоянии от источника много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические электромагнитные волны. Они поперечные и линейно поляризованы. Монохроматическую и когерентную волну излучает гармонический осциллятор (см. ОСЦИЛЛЯТОР). Ее рассматривают как монохроматическую волну, у которой постоянна частота колебаний. Свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на то, что эти волны поперечные.
В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации. В общем случае концы поляризованной плоской волны описывают эллипсоид, и такая волна называется поляризованной эллиптически. Поляризация электромагнитной волны — очень важное ее свойство. От положения плоскости поляризации по отношению к отражающей поверхности зависит коэффициент отражения волны, степень поглощения волны кристаллами и характер рассеяния неоднородностями. Реальные электромагнитные волны имеют более сложную структуру, и на практике когерентной называют волну, у которой не меняется фаза за время наблюдения того или иного явления.
Характер изменения во времени Е и Н электромагнитной волны определяется законом изменения тока I и зарядов e, ее возбуждающих. Однако ее форма повторяет форму тока только в случае, если электромагнитные волны распространяются в линейной среде, электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н.
Частота колебаний электрического и магнитного полей в электромагнитной волне связана с длиной волны соотношением: l= с/n.
Электромагнитная волна обладает энергией, импульсом, массой, а если она является эллиптически- и циркулярнополяризованной, то обладает еще и моментом импульса.
Электромагнитная волна переносит энергию. Средняя величина энергии плоской поляризованной волны = ee_oA²/2 Дж/см³.
Энергия волны Е_в, протекающая через поверхность S , перпендикулярную распространению волны, за время t , равна Е_в = cSt. Величину I =c называют интенсивностью.
Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами, то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Когда волна поглощается, ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает, следовательно, при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Давление электромагнитных волн объясняется том, что под действием электрического поля волны заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля действию сил Лоренца. Однако величина этого давления ничтожно мала. Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс, модуль которого равен энергии, деленной на скорость света. Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым (см. ЛЕБЕДЕВ Петр Николаевич) в 1900 г.
Появление квантовых генераторов, в частности лазеров (см. ЛАЗЕР), позволило получить значения напряженности электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитной волны в нелинейной среде (см. НЕЛИНЕЙНАЯ СРЕДА) ее форма изменяется.
В зависимости от длины электромагнитных волн существуют различные способы их излучения и регистрации, такие волны по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света независимо от частоты колебаний. Радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение находят свое место в единой шкале электромагнитных волн (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА), причем между соседними диапазонами шкалы нет резкой границы. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики.
Источниками низкочастотных колебаний с частотой n — до 10³ Гц, и длиной волны l порядка 10³ — 10^-4м, являются генераторы переменного тока; электромагнитные волны такой длины применяются в электротехнике. Диапазон радиоволн простирается от длинных ДВ до ультракоротких УКВ и СВЧ волн. Источниками возбуждения радиоволн с частотой 3^.10⁵— 3.10¹² Гц и длиной волны l — 3.10⁵ м, являются генераторы радиочастот, СВЧ-генераторы, массовые излучатели, ламповые генераторы; электромагнитные волны такого диапазона применяются в радиотехнике, телевидении, радиосвязи, радиолокации. Для радиоволны простейшим излучателем является электрический диполь — отрезок проводника, по которому протекает переменный ток. Такой диполь называется антенной.
Источником возбуждения инфракрасного излучения частотой порядка 10¹² Гц и длинами волн порядка 3^.10^-3 м, является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Источником возбуждения ультрафиолетового излучения с частотой порядка 7,5^.10¹⁴ Гц, а также мягкого рентгеновского излучения, используемого в медицине, является излучение атомов при воздействии на них ускоренных электронов. Для возбуждения волн оптического и рентгеновского диапазонов характерны процессы, происходящие внутри атомов вещества, а для g-лучей — внутриядерные процессы. Процессы в атомах при воздействии на них ускоренных заряженных частиц сопровождаются гамма-излучением (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ).
Еще более коротковолновое излучение возникает при торможении быстро заряженных частиц в веществе. Переход атомного ядра из одного состояния в другое или, например, аннигиляция частиц приводят к испусканию g-излучения — электромагнитных волн с наиболее высокими частотами колебаний. Жесткое гамма-излучение сопровождает ядерные процессы и радиоактивный распад (см. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД).
Электромагнитному излучению присущи черты дискретности. По мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам) волновые свойства электромагнитных волн (интерференция (см. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН), дифракция (см. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН), поляризация (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН)) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых определяющую роль играет энергия hn, проявляются сильнее. На высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне, и тем более в диапазонах рентгеновских и гамма-лучей, излучение и поглощение электромагнитных волн может быть описано только на основе представлений о дискретности этих процессов.
Во многих случаях электромагнитное излучение ведет себя не как набор монохроматических электромагнитных волн с определенной частотой, а как поток квазичастиц — фотонов (см. ФОТОН (элементарная частица)). В первую очередь это относится к электромагнитному излучению высокой частоты. А. Эйнштейн (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт) обобщил идею М. Планка (см. ПЛАНК Макс) о дискретности излучения, предположив, что такая дискретность не связана с каким-то особым механизмом взаимодействия излучения с веществом, а внутренне присуща самому электромагнитному излучению, которое представляет собой кванты — фотоны. Эти представления получили экспериментальное подтверждение — на их основе были объяснены закономерности фотоэффекта (см. ФОТОЭФФЕКТ) и эффекта Комптона (см. КОМПТОНА ЭФФЕКТ). Но наряду с корпускулярными свойствами фотон обладает и волновыми свойствами. Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в представление об электромагнитных волнах. Рентгеновское излучение, гамма-излучение обычно рассматриваются как поток квантов- корпускул с энергией ђ, где ђ — постоянная Планка. Законы излучения атомов и молекул также объясняет квантовая теория излучения. На ее основе построены когерентные излучатели микроволн и световых волн — мазеры (см. МАЗЕР) и лазеры (см. ЛАЗЕР).

Электромагнитная волна — это… Что такое Электромагнитная волна?