Электромагнитные волны что это

Электромагнитные волны: что это, влияние и сферы применения

Одно из ключевых понятий физики — электромагнитные волны. Человек не может их увидеть, но активно использует. Радио и радары, рентгены и лазеры — все это работает благодаря существованию электромагнитного поля.

Что такое электромагнитные волны

Характеристика и история изучения

Талантливый физик предсказал возможность существования электромагнитных волн как способа, с помощью которого электромагнитное поле распространяется в пространстве и во времени. Источником этого явления ученый назвал электрические заряды, которые движутся с ускорением.

Его теорию продолжили исследовать на практике такие ученые, как:

С тех пор электромагнитное излучение определяют как одноименные волны, которые приводят в возбуждение различные объекты излучения (молекулярные, атомные и заряженные частицы).

Каждая электромагнитная волна является излучением, которое имеет три основные характеристики:

Электромагнитное излучение интересно тем, что распространяется в любой среде — и в плотных веществах, и в вакууме. При этом в последнем скорость распространения волн составляет около 300 тысяч км/с. А вот, например, звуковые волны в вакууме распространяться не могут.

Каков принцип действия электромагнитного излучения

Оно обладает энергией, которой присуща напряженность. Поле электромагнитных волн может быть постоянным и переменным:

У такого распространения есть три зоны:

В своей теории Максвелл описал определенные свойства электромагнитных волн, которые обусловлены их различиями и зависят от длины волны. Согласно этому параметру, волны электромагнитного поля разделяют на диапазоны. Для последних разработана условная шкала, так как близкие частоты часто совмещают такие свойства:

Электромагнитные волны довольно быстро стали явлением, которое используют на практике. Знаем о них или нет, они нас окружают повсюду.

Виды электромагнитных волн и их применение

Электромагнитные волны различаются по частоте, поляризации и длине. Последний показатель был взят за основу самой распространенной классификации.

По показателю длины выделяют:

Где применяют и как влияет на человека

Широко применять электромагнитное излучение начали с конца XIX века. В это время началось развитие радиосвязи, с помощью которой реальным стало общение на больших расстояниях. Главными электромагнитными источниками были крупные объекты промышленного масштаба, а также электрические линии передач.

Кроме того, этим видом излучения заинтересовалась военная сфера. Так началась эпоха радаров и других подобных электрических приборов.

В сфере медицины для лечения различных болезней начали использовать инфракрасное излучение. Благодаря рентгеновским исследованиям появилась возможность выявлять внутренние повреждения в организме человека. На современном этапе с помощью лазеров проводят операции, требующие ювелирной точности.

Наряду с перечисленной выше пользой электромагнитного излучения, известны и некоторые негативные для человека последствия его воздействия:

Ученые-исследователи Н. И. Бурлака и С. С. Гоженко установили, что чрезмерное действие электромагнитного излучения повреждает внутренние органы, нарушает работу центральной нервной системы, что может привести к возникновению психических расстройств. Известен накопительный эффект биологических воздействий излучения: чем оно длительнее, тем более отрицательные результаты.

Воздействие, длящееся годами, приводит к:

Чтобы избежать таких негативных влияний, внедряют определенные стандарты, регулирующие вопросы безопасности электромагнитного воздействия. Так, для использования всех разновидностей электромагнитного излучения разрабатывают гигиенические нормы и радиационные стандарты.

На современном этапе продолжается изучение электромагнитного излучения и его воздействия на организм человека. Многие стараются свести его к минимуму, так как нет окончательного вердикта относительно вреда излучения. Нас окружает великое разнообразие электромагнитных волн, многие из которых приносят человеку пользу.

Источник

Электромагнитные волны: что это такое, свойства, формулы, применение

Электромагнитные волны (также называют как электромагнитное излучение) — это распространение в пространстве переменных электрических и магнитных полей. Другими словами, это поперечные волны, распространяющиеся со скоростью 300 000 км/с в вакууме. Электромагнитные волны включают: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Приведенные волны различаются по длине и частоте.

В этой статье вы узнаете, что такое электромагнитные волны, как они используются, а также важные формулы, которые математически их описывают.

Что такое электромагнитная волна?

Название «электромагнитные волны» состоит из двух частей — «электромагнитные» и «волны». Волны» говорит о том, что что-то периодически колеблется вверх и вниз. Добавление слова «электромагнитный» говорит о том, что это «что-то» — электрические и магнитные поля.

Это означает, что электромагнитные волны (также называемые электромагнитным излучением) описывают периодическое колебание электрического и магнитного полей. Поля не колеблются беспорядочно вверх и вниз, а связаны друг с другом так, что электрическое поле перпендикулярно магнитному полю (см. рисунок 1).

Рис. 1. Электромагнитная волна

Когда мы помещаем куда-либо положительный или отрицательный электрический заряд, в пространстве вокруг него возникают силы, действующие на другие заряды; например, явление поляризации (разделение электрических зарядов в проводнике). Мы говорим, что электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, и это поле оказывает влияние на другие заряды. Это электрическое поле отвечает за протекание электрического тока.

Если заряд, создающий поле, перемещается, т.е. приближается к одним зарядам и удаляется от других, то действующие силы будут меняться. Из этого следует, что поле будет меняться. Поэтому мы можем иметь дело с полем, постоянным во времени (статическим), или с полем, изменяющимся во времени. Если электрическое поле в проводнике постоянно, то постоянна и сила тока. Если поле меняется, то меняется и электрический ток.

То же самое справедливо и для магнитных сил — они возникают в пространстве вокруг магнита, электромагнита или проводника, в котором течет электрический ток. Это означает, что эти тела являются источниками магнитного поля. Если источники поля неподвижны, а электрический ток в обмотках электромагнита или одиночного проводника имеет постоянное значение, то создаваемое поле будет статическим. Движение источников и изменение силы тока создадут переменное поле.

Вы уже знаете, что изменение положения магнита относительно проводника может вызвать протекание в нем электрического тока. Поскольку для этого потока необходимо электрическое поле, следует, что переменное магнитное поле создает электрическое поле. Вы также знаете, что при протекании электрического тока в проводнике возникает магнитное поле вокруг проводника, и если электрический ток течет то в одну, то в другую сторону, или его интенсивность увеличивается или уменьшается, то магнитное поле, создаваемое этим электрическим током, будет переменным.

Что происходит, когда в каком-либо месте возникает переменное магнитное поле? Сразу же появится переменное электрическое поле. Там не обязательно должен быть проводник. А когда в определенном месте появляется изменяющееся электрическое поле (например, при движении)? Да, вы правы — в этом месте появится переменное магнитное поле. Именно так эти поля переносятся в пространстве.

Деформация поверхности воды распространяется, создавая волну, а сгущение воздуха, вызванное движением струны, передается по воздуху, создавая звуковую волну. В отношении переменных электрических и магнитных полей мы говорим об электромагнитной волне. Во второй половине 19 века теория распространения волн была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом. Известно, что он как-то сказал, что это чрезвычайно красивая теория, которая никогда не будет полезна.

Электромагнитные волны были открыты Генрихом Герцем в 1886 году. Теория Максвелла была подтверждена, но Герц не дожил до рождения радио.

Как видно из вышесказанного, для того чтобы возбудить электромагнитную волну, необходимо где-то индуцировать изменение магнитного или электрического поля. А как узнать, что волна куда-то дошла? Если мы возбудим механическую волну на одном берегу озера, то, когда она достигнет лодки, плывущей по воде на другом берегу, мы заметим, что она начнет подниматься и опускаться. Электромагнитная волна, создаваемая переменными электрическим и магнитным полями, вызывает электрический ток в замкнутой цепи приемника. Наиболее важное различие между обоими типами волн заключается в том, что механическая волна требует материальной среды, в которой она может распространяться. Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.

Свойства электромагнитных волн

Существует ряд свойств, которыми обладают электромагнитные волны. В этом подразделе мы перечислим наиболее важные свойства и их значение.

Формулы

В этом разделе мы покажем вам, как преобразовать длину волны, частоту и энергию электромагнитной волны.

Связь длины волны с частотой и энергии с частотой.

В вакууме все типы электромагнитных волн распространяются с одинаковой скоростью (c). В любой другой среде считаем, что электромагнитные волны распространяются со скоростью v.

Если обозначить длину волны через λ, а частоту через f, то получится следующее: с = λ * f (1), где c — скорость света.

Между энергией E волны и ее частотой f действует соотношение: E = h * f (2), где h — постоянная Планка.

Это означает, что все три величины связаны друг с другом. Таким образом, если вы задали одну из трех величин, вы можете рассчитать две другие. Например, если вы знаете длину волны, вы можете использовать формулу f = c / λ и вычислить частоту, а далее использовать формулу E = ( h*c ) / λ для того, чтобы вычислить энергию электромагнитной волны E.

Преобразование единиц измерения.

При выполнении таких преобразований всегда следите за тем, чтобы единицы измерения правильно соотносились друг с другом. Энергия E имеет единицу измерения джоуль (Дж), поэтому мы ожидаем, что выражение ( h*c ) / λ также имеет единицу измерения джоуль. Скорость света c имеет единицу измерения метр в секунду [ м / c ], длина волны λ имеет единицу измерения метр [ м ] и постоянная Планка имеет единицу измерения [ Дж*с ].

Таким образом, выражение ( h*c ) / λ имеет единицу измерения: ( Дж * с * м / c ) / м = Дж.

Виды электромагнитных волн и их диапазоны длин

Диапазоны длин электромагнитных волн

Волны располагаются в порядке возрастания частоты и уменьшения длины, поскольку чем длиннее волна, тем ниже ее частота. Волны с высокой частотой, т.е. ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, несут в себе высокую энергию. Взаимодействие этих волн с живыми организмами может привести к повреждению клеток или даже смерти (при высокой дозе излучения).

Применение

Радиоволны.

Радио- и телевизионные волны имеют самые низкие частоты. Они используются в основном для общения. Они позволяют передавать изображения и звук, что является основой радио- и телевизионных станций. Радиоволны делятся на длинные и короткие в зависимости от их длины. Коротковолновые радиостанции используют разные частоты для разных частей страны. Существуют также станции, которые вещают на одной частоте для всей страны — тогда используются так называемые длинные волны.

Радиоволны также использовались в астрономических наблюдениях. В космосе есть небесные тела, которые являются естественными источниками радиоволн. Радиотелескопы (рисунок 2) используются в обсерваториях для проведения так называемого прослушивания, то есть исследования отдаленных частей космоса.

Рис. 2. Радиотелескоп расположен в северной части Чили в пустыне Атакама. Его диаметр составляет 12 м, а масса — 125 тонн. Он был построен в результате сотрудничества между Институтом радиоастрономии Макса Планка, Онсальской обсерваторией (OSO) и Европейской южной обсерваторией (ESO).

Микроволны.

Микроволны чаще всего ассоциируются с микроволновой печью, и это лишь одно из многих возможных применений. Они производятся специальными электронными трубками. Микроволны легко распространяются по воздуху, даже при неблагоприятных атмосферных условиях (туман, осадки). Именно поэтому они используются в радарах — устройствах, применяемых для определения местоположения. Радары используются в метеорологии, например, для отслеживания дождевых облаков. Микроволны также используются в радио- и спутниковой связи, т.е. между спутником и Землей (телефоны, факсы, передача данных) и между спутниками. Частота, соответствующая микроволнам, также используется в: мобильной телефонии, GPS-навигации, связи Bluetooth и беспроводных компьютерных сетях WLAN.

Помните! Микроволны — это электромагнитные волны, используемые в радарах, спутниковой связи и GPS-навигации.

Инфракрасное излучение.

Инфракрасное излучение испускается всеми телами с температурой выше абсолютного нуля. Источниками инфракрасного излучения являются горячий утюг, лампочка, кожа человека, солнце и т.д. Некоторые термометры работают путем измерения частоты излучения, испускаемого кожей. Поскольку человеческое тело является источником инфракрасного излучения, для наблюдения в ночное время можно использовать камеры ночного видения и тепловизоры. Гадюки наблюдают за окружающей средой таким же образом, поскольку у них есть рецепторы, которые работают как приборы ночного видения.

Поверхности твердых тел и жидкостей нагреваются инфракрасным излучением, поскольку частота волны и частота колебаний молекул твердых тел и жидкостей одинаковы. Инфракрасное излучение не нагревает газы, поэтому астрономы используют это свойство для наблюдения за зарождающимися звездами в туманностях. Инфракрасное излучение также нашло применение в передаче данных — в камерах сотовой связи IRDA и в оптических волокнах. Для считывания компакт-дисков используются лазеры, излучающие свет с длиной волны 650-790 нм.

Рис. 3. Инфракрасный снимок. Источник: NASA

Помните! Инфракрасный свет излучается различными телами, например, лампочками, Солнцем, человеческим телом. Он нагревает твердые вещества и жидкости, на которые падает. Он используется, например, в камерах ночного видения и тепловизорах.

Видимый свет.

Видимый свет, т.е. свет, регистрируемый человеческим зрением, находится в диапазоне от 400 нм до 780 нм. Глаз воспринимает волны различных частот и их комбинации, а мозг интерпретирует их как цвета.

Ультрафиолет (УФ) — это излучение, которое достигает нас вместе с солнечными лучами. Он необходим для выработки витамина D в организме человека, но избыток этого излучения может иметь серьезные последствия. Когда вы загораете, загар возникает под воздействием ультрафиолетового излучения, но иногда кожа обгорает. Длительный загар вызывает повреждение коллагеновых волокон кожи и ускоряет ее старение (образование морщин).

Слишком высокие дозы ультрафиолетового излучения могут привести к необратимым изменениям кожи, вплоть до рака. Поэтому важно защитить себя от этого излучения. Рекомендуется использовать кремы с УФ-фильтрами (чем выше фактор защиты от солнца, тем лучше), которые действительно защищают кожу. Помните также, что ультрафиолетовое излучение включает в себя свет электрической дуги, который образуется при электросварке (мы видим такой свет, например, при сварке трамвайных рельсов). Если смотреть на такую дугу в течение нескольких секунд, это повредит зрению.

Ультрафиолетовое излучение.

Ультрафиолетовое излучение можно использовать для считывания водяных знаков на банкнотах (см. рисунок 4). Его источником являются кварцевые лампы. Ультрафиолет оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы, поэтому его используют в больницах, например, для стерилизации помещений или медицинского оборудования. Ультрафиолетовое излучение также используется в криминалистике для наблюдения биологических следов, например, крови.

Помните! Ультрафиолет — это электромагнитная волна с частотой выше, чем у видимого света. Источниками ультрафиолета являются Солнце и кварцевые лампы. Он используется, в частности, для стерилизации больничных палат и в судебной медицине.

Рентгеновское излучение.

В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи (Х-лучи). Его источником являются специальные лампы. Они испускают излучение в результате замедления блуждающих электронов на металлическом электроде. Рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике (рентген, маммография и другие), поскольку они проникают через кожу и поглощаются костями. Слишком высокая доза этого излучения может привести к повреждению внутренних органов и поражениям, поэтому во время обследований используются экраны — фартуки из резины с содержанием оксида свинца. Такое излучение может повредить генетический материал клеток и привести к генетическим изменениям в потомстве.

Гамма-излучение — это электромагнитная волна с самой высокой частотой и самой короткой длиной волны. Оно гораздо более проникающее, чем рентгеновские лучи, и может свободно проникать через бумагу, картон, алюминий. Но, в тоже время, гамма-излучение отлично поглощается слоем свинца. Источниками этого излучения являются различные радиоактивные элементы. Некоторые из них используются в медицине и радиотерапии.

Источник

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.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

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).

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:

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

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/м 2 ).

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

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

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

Для поля в единичном объеме

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).

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

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

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.

Источник