Распространение электромагнитных волн
Труды Максвелла и открытые им законы электромагнетизма позволяют извлечь значительно больше информации, нежели могут представить факты, на основе которых проводится исследование. Например, одним из выводов на основе законов электромагнетизма выступает заключение, что электромагнитное взаимодействие имеет конечную скорость распространения.
Если следовать теории дальнодействия, то получаем, что сила, которая оказывает воздействие на электрический заряд, находящийся в неподвижном состоянии, изменяет свои показатели при смене местоположения соседнего заряда. Согласно этой теории заряд буквально «ощущает» сквозь вакуум присутствие себе подобного и мгновенно перенимает действие.
Таким образом происходит «возмущение» электромагнитного поля, вызванное сменой места заряда в пространстве. Оно распространяется и, как результат, воздействует на существующее поле, изменяя его. Добравшись до соседнего заряда, «возмущение» вносит изменения в показатели силы, действующей на него. Происходит это спустя некоторое время после смещения первого заряда.
Вопросом принципа распространения электромагнитных волн увлеченно занимался Максвелл. Затраченное время и силы в итоге увенчались успехом. Он доказал наличие конечной скорости этого процесса и привел тому математическое обоснование.
Реальность существования электромагнитного поля подтверждается наличием конечной скорости «возмущения» и соответствует показателям скорости света в пространстве, лишенном атомов (вакууме).
Электромагнитное поле
Электромагнитное поле – это особый вид материи, с помощью которого осуществляется электромагнитное взаимодействие заряженных тел или частиц.
Это понятие было введено Д. Максвеллом, развившим идеи Фарадея о том, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. Вихревое электрическое поле порождает появление вихревого магнитного поля и так далее. Эти переменные электрическое и магнитное поля, существующие одновременно, и образуют единое электромагнитное поле.
Характеристиками этого поля являются вектор напряженности и вектор магнитной индукции.
Если электрический заряд покоится, то вокруг него существует только электрическое поле.
Если напряженность электрического поля равна нулю, а магнитная индукция отлична от нуля, то обнаруживается только магнитное поле.
Если электрический заряд двигается с постоянной скоростью, то вокруг него существует электромагнитное поле.
Максвелл предположил, что при ускоренном движении зарядов в пространстве будет возникать возмущение, которое будет распространяться в вакууме с конечной скоростью. Когда это возмущение достигнет второго заряда, то изменится сила, с которой электромагнитное поле действует на этот заряд.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны. Электромагнитное поле материально. Оно распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.
Характеристики электромагнитного излучения
Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.
Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и .
В электродинамике
Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.
Связь с более фундаментальными науками
Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.
Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.
Некоторые особенности электромагнитных волн 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;
| Виды энергии: | ||
|---|---|---|
| Механическая | Потенциальная Кинетическая | |
| ‹› | Внутренняя | |
| Электромагнитная | Электрическая Магнитная | |
| Химическая | ||
| Ядерная | ||
| G{\displaystyle G} | Гравитационная | |
| ∅{\displaystyle \emptyset } | Вакуума | |
| Гипотетические: | ||
| Тёмная | ||
| См. также: Закон сохранения энергии |
электромагнитные волны в свободном пространстве — 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.
Электромагнитная безопасность[править]
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 существаправить
Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.
Оптический диапазонправить
Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.
Радиоволныправить
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 поддающиеся 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. 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
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 еденицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).
«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи.»
Проникающая неионизирующая радиацияправить
Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.
Рентгеновское излучение — длина волны 10−8 м до 10−13 м; частоты 3 * 1016 Гц до 3 * 1030 Гц. Доказано, что при превышении допустимых норм облучения излучение губительно действует на живые клетки.
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.
Скорость света и специальная теория относительности
→ Основные статьи : Скорость света и Специальная теория относительности
Насколько быстро светится о , было известно с 1676 года. Однако до 1865 года не было никакой связи с другими физическими явлениями. Джеймс Клерк Максвелл смог произвести это между 1861 и 1862 годами, используя найденные им уравнения Максвелла , предсказывающие существование электромагнитных волн. Их скорость настолько хорошо согласовывалась с известной тогда скоростью света, что связь была установлена немедленно. Генрих Герц смог экспериментально продемонстрировать эти волны в 1880-х годах.
В классической механике волны (по направлению распространения ) определяются волновым уравнениемИкс{\ displaystyle x}
- ∂2∂т2ж→знак равноc2∂2∂Икс2ж→{\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial t ^ {2}}} {\ vec {f}} = c ^ {2} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ частичный x ^ {2}}} {\ vec {f}}}
описано. Термин здесь относится к к отклонению волны и ее фазовой скорости , который может быть интерпретирован здесь как скорость распространения волны.
ж→{\ displaystyle {\ vec {f}}}c{\ displaystyle c}
Из уравнений Максвелла зависимость напряженности электрического поля в вакууме может быть следующей :
Э.→{\ displaystyle {\ vec {E}}}
- ∂2∂т2Э.→знак равно1εμ∂2∂Икс2Э.→{\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial t ^ {2}}} {\ vec {E}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0} \ mu _ {0 }}} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial x ^ {2}}} {\ vec {E}}}
производное (в единицах СИ ; см. раздел ). В этом отношении напряженность электрического поля ведет себя как волна; размер
- cзнак равно1εμ{\ displaystyle c = {\ frac {1} {\ sqrt {\ varepsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}}
происходит как скорость распространения. Эта скорость состоит исключительно из естественных констант, которые не зависят от системы отсчета наблюдателя, которая, следовательно, переносится на размер .
c{\ displaystyle c}c{\ displaystyle c}
Ситуация у пруда: движущийся наблюдатель видит скорость распространения водной волны, уменьшенную его собственной скоростью. Максвелл предсказывает для электромагнитных волн, что скорость распространения c одинакова для обоих наблюдателей.
В основе классической механики лежит принцип относительности Галилея , который гласит, что законы природы во всех инерциальных системах — тех системах отсчета, в которых тела, не подверженные никаким силам, движутся по прямой линии, — имеют одинаковую форму ( инвариантность Галилея ). Система отсчета, движущаяся к инерциальной системе с постоянной скоростью, также является инерциальной системой.
Согласно этому принципу относительности, можно было бы ожидать, что наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью относительно электромагнитной волны, будет измерять другую скорость распространения, например, пешеход, идущий с постоянной скоростью по краю пруда, заметит разная скорость распространения водной волны по пруду в состоянии покоя наблюдателя. Уравнения Максвелла, однако, предсказывают одинаковую скорость распространения для обоих наблюдателей — они не галилеоинвариантны.
Это противоречие классической механики решается в пользу уравнений Максвелла: Тот факт , что электромагнитные волны распространяются во всех инерциальных системах с одинаковой скоростью — часто цитируемое постоянство скорости света — образует постулат Эйнштейна специальной теории относительности , опубликованной в 1905 . Так называемая лоренц-инвариантность заменяет галилеевскую инвариантность .
Характеристики электромагнитного излучения
Любую электромагнитную волну описывают с помощью трех характеристик.
Поляризация – одна из основных волновых атрибутов. Описывает поперечную анизотропию электромагнитных волн. Излучение считается поляризованным тогда, когда все волновые колебания происходят в одной плоскости.
С помощью поляризации очки IMAX разделяют изображение, которое предназначено для разных глаз. 
Частота – число гребней волны, которые проходят мимо наблюдателя (в данном случае – детектора) за одну секунду. Измеряется в герцах.
Длина волны – конкретное расстояние между ближайшими точками электромагнитного излучения, колебания которых происходят в одной фазе.
Скорость распространения в вакууме равна 300 тыс. км за секунду.
Интересное видео о природе и свойствах ЭМ волн смотрите в видео ниже:
https://youtube.com/watch?v=b5uTFYWAhGE
Электромагнитное излучение. Виды и применение. Влияние
Электромагнитное излучение представлено одноименными волнами, которые приводятся в возбуждение под воздействием различных объектов излучения в виде молекулярных, атомных и заряженных частиц.
Достоинства и недостатки
Главным преимуществом ЭМИ является его активное применение в медицинской сфере. Посредством рентгеновского и инфракрасного излучений становится возможным обследование внутренних органов с последующим выявлением возможных заболеваний.
К недостатку же электромагнитного излучения следует отнести негативное воздействие на организм человека в случаях, когда это влияние превышает нормы. По возможности его необходимо избегать. Более того, известен накопительный эффект биологического влияния излучения: чем он длительней, тем более негативнее последствия.
Электромагнитное излучение — определение, разновидности, характеристики
Электромагнитное излучение существует ровно столько, сколько живет наша Вселенная. Оно сыграло ключевую роль в процессе эволюции жизни на Земле. По факту, это возмущение состояние электромагнитное поля, распространяемого в пространстве.
Характеристики электромагнитного излучения
Любую электромагнитную волну описывают с помощью трех характеристик.
1. Частота.
2. Поляризация.
3. Длина.
Поляризация – одна из основных волновых атрибутов. Описывает поперечную анизотропию электромагнитных волн. Излучение считается поляризованным тогда, когда все волновые колебания происходят в одной плоскости.
https://youtube.com/watch?v=FGOk3eXLw20
Это явление активно используют на практике. Например, в кино при показе 3D фильмов.
С помощью поляризации очки IMAX разделяют изображение, которое предназначено для разных глаз.
Частота – число гребней волны, которые проходят мимо наблюдателя (в данном случае – детектора) за одну секунду. Измеряется в герцах.
Длина волны – конкретное расстояние между ближайшими точками электромагнитного излучения, колебания которых происходят в одной фазе.
Электромагнитное излучение может распространяться практически в любой среде: от плотного вещества до вакуума.
Скорость распространения в вакууме равна 300 тыс. км за секунду.
Интересное видео о природе и свойствах ЭМ волн смотрите в видео ниже:
Виды электромагнитных волн
Все электромагнитное излучение делят по частоте.
1. Радиоволны. Бывают короткими, ультракороткими, сверхдлинными, длинными, средними.
Длина радиоволн колеблется от 10 км до 1 мм, а частота от 30 кГц до 300 ГГц.
Их источниками может быть как деятельность человека, так и различные естественные атмосферные явления.
2. Инфракрасное излучение. Длина волны лежит в пределах 1мм — 780нм, а частота может доходить до 429 ТГц. Инфракрасное излучение еще называют тепловым. Основа всей жизни на нашей планете.
3. Видимый свет. Длина 400 — 760/780нм. Соответственно частота колеблется в пределах 790-385 ТГц. Сюда относят весь спектр излучения, которое можно увидеть человеческим глазом.
4. Ультрафиолет. Длина волны меньше, чем в инфракрасного излучения.
Может доходить до 10 нм. Частота таких волн очень большая – порядка 3х1016 Гц.
5. Рентгеновские лучи. частота волны 6х1019 Гц, а длина порядка 10нм — 5пм.
6. Гамма волны. Сюда относят любое излучение, частота которого больше, чем в рентгеновских лучах, а длина – меньше. Источником таких электромагнитных волн являются космические, ядерные процессы.
Сфера применения
Где-то начиная с конца XIX столетия, весь человеческий прогресс был связан с практическим применением электромагнитных волн.
https://youtube.com/watch?v=zrl43fBJUTY
Первое о чем стоит упомянуть – радиосвязь. Она дала возможность людям общаться, даже если они находились далеко друг от друга.
Спутниковое вещание, телекоммуникации – являются дальнейшим развитием примитивной радиосвязи.
Именно эти технологии сформировали информационный облик современного общества.
Источниками электромагнитного излучения следует рассматривать как крупные промышленные объекты, так и различные линии электропередач.
Электромагнитные волны активно используются в военном деле (радары, сложные электрические устройства). Также без их применения не обошлась и медицина. Для лечения многих болезней могут использовать инфракрасное излучение.
Рентгеновские снимки помогают определить повреждения внутренних тканей человека.
С помощью лазеров проводят ряд операций, требующих ювелирной точности.
Советское видео о электромагнитном поле:
Возможное негативное влияние на человека
Несмотря на свою полезность, сильные источники электромагнитного излучения могут вызывать такие симптомы:
• усталость;
• головную боль;
• тошноту.
Чрезмерное воздействие некоторых видов волн вызывают повреждения внутренних органов, центральной нервной системы, мозга. Возможны изменения в психике человека.
Интересное виде о влиянии ЭМ волн на человека:
Чтобы избежать таких последствий практически во всех странах мира действуют стандарты, регулирующие электромагнитную безопасность. Для каждого типа излучений существуют свои регулирующие документы (гигиенические нормы, нормы радиационной безопасности). Влияние электромагнитных волн на человека до конца не изучено, поэтому ВОЗ рекомендует минимизировать их воздействие.
Виды электромагнитного излучения
В зависимости от длины волны, ЭМИ можно разделить на:
- видимый свет — это то излучение, которое человек способен воспринимать зрительно. Длина световых волн варьируется от 380 до 780 нм (нанометров), то есть волны видимого света очень короткие;
- инфракрасное излучение находится в электромагнитном спектре между световым излучением и радиоволнами. Длина инфракрасных волн больше световых и находится в диапазоне 780 нм — 1 мм;
- радиоволны. Ими же являются и микроволны, которые излучает СВЧ-печь. Это самые длинные волны. К ним относятся всё электромагнитное излучение с волнами длиной от полмиллиметра;
- ультрафиолетовое излучение, являющееся вредным для большинства живых существ. Длина таких волн составляет 10-400 нм, а расположены они в диапазоне между видимым и рентгеновским излучениями;
- рентгеновское излучение выделяется электронами и имеет широкий диапазон длин волн — от 8·10—6 до 10—12 см. Это излучение известно всем по медицинским аппаратам;
- гамма-излучение является самым коротковолновым (длина такой волны менее 2·10−10 м), и имеет наиболее высокую энергию излучения. Этот вид ЭМИ является наиболее опасным для человека.
На картинке ниже показан весь спектр электромагнитного излучения.
Вывод:
С помощью квантовой электродинамики можно рассматривать электромагнитное излучение не только как электромагнитные волны, но и как поток фотонов, то есть частиц, представляющих собой элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля. Сами же волны характеризуются такими признаками как длина (или частота), поляризация и амплитуда. Причем свойства частиц тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем.
Такой дуализм подтверждается формулой Планка ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.
В зависимости от диапазона частоты выделяется несколько видов электромагнитного излучения. Хотя границы между этими типами достаточно условны, ведь скорость распространения волн в вакууме одинакова (равна 299 792 458 м/с), следовательно, частота колебания обратно пропорциональна длине электромагнитной волны.
Виды электромагнитного излучения различаются способом получения:
Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания.
Различаются методами регистрации:
Видимый свет воспринимается глазом. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением. Его регистрируют тепловыми методами, а также частично фотоэлектрическими и фотографическими методами. Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию (свечение) ряда веществ. Его регистрируют фотографическими и фотоэлектрическими методами.
Также они по-разному поглощаются и отражаются одинаковыми средами:
Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно g-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волн.
Оказывают разное воздействие на биологические объекты при одинаковой интенсивности излучения:
