Come si misura un'onda elettromagnetica? Onde elettromagnetiche e loro radiazione

Ogni volta che una corrente elettrica cambia frequenza o direzione, genera onde elettromagnetiche - oscillazioni dei campi di forza elettrici e magnetici nello spazio. Un esempio è il cambiamento di corrente nell'antenna di un trasmettitore radio, che crea anelli di onde radio che si propagano nello spazio.

L'energia di un'onda elettromagnetica dipende dalla sua lunghezza, la distanza tra due "picchi" adiacenti. Più corta è la lunghezza d'onda, maggiore è la sua energia. In ordine decrescente di lunghezza, le onde elettromagnetiche si dividono in onde radio, radiazioni infrarosse, luce visibile, ultraviolette, raggi X e radiazioni gamma. La lunghezza d'onda delle radiazioni gamma non raggiunge nemmeno il centomiliardesimo di metro, mentre le onde radio possono avere una lunghezza misurata in chilometri.

Onde elettromagnetiche si propagano nello spazio alla velocità della luce e le linee di forza dei loro campi elettrici e magnetici si trovano ad angolo retto tra loro e rispetto alla direzione del movimento dell'onda.

Onde elettromagnetiche si irradiano in cerchi gradualmente allargati dall'antenna trasmittente di una stazione radio ricetrasmittente, simile a come fanno le onde quando un sasso cade in uno stagno. La corrente elettrica alternata nell'antenna crea onde costituite da campi elettrici e magnetici.

Diagramma delle onde elettromagnetiche

Un'onda elettromagnetica viaggia in linea retta e i suoi campi elettrico e magnetico sono perpendicolari al flusso di energia.

Rifrazione delle onde elettromagnetiche

Proprio come la luce, tutte le onde elettromagnetiche vengono rifratte quando entrano nella materia con qualsiasi angolo diverso da quello retto.

Riflessione delle onde elettromagnetiche

Se le onde elettromagnetiche cadono su una superficie parabolica metallica, vengono focalizzate in un punto.

L'aumento delle onde elettromagnetiche

il falso schema delle onde elettromagnetiche emanate da un'antenna trasmittente nasce da una singola oscillazione della corrente elettrica. Quando la corrente scorre lungo l'antenna, il campo elettrico (linee rosse) è diretto dall'alto verso il basso e il campo magnetico (linee verdi) è diretto in senso antiorario. Se la corrente cambia direzione, lo stesso accade ai campi elettrico e magnetico.

), descrivendo il campo elettromagnetico, ha dimostrato teoricamente che il campo elettromagnetico nel vuoto può esistere in assenza di sorgenti: cariche e correnti. Un campo senza sorgenti ha la forma di onde che si propagano con una velocità finita, che nel vuoto è pari alla velocità della luce: Con= 299792458±1,2 m/s. La coincidenza della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto con la velocità della luce precedentemente misurata ha permesso a Maxwell di concludere che la luce è un'onda elettromagnetica. Una conclusione simile costituì successivamente la base della teoria elettromagnetica della luce.

Nel 1888, la teoria delle onde elettromagnetiche ricevette conferma sperimentale negli esperimenti di G. Hertz. Utilizzando una sorgente ad alta tensione e vibratori (vedi vibratore Hertz), Hertz è stato in grado di eseguire esperimenti sottili per determinare la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica e la sua lunghezza. È stato confermato sperimentalmente che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica è uguale alla velocità della luce, il che ha dimostrato la natura elettromagnetica della luce.

2. Descrivi l’esperimento di Hertz sulla rilevazione delle onde elettromagnetiche

3. Spiega i risultati dell'esperimento di Hertz utilizzando la teoria di Maxwell. Perché un'onda elettromagnetica è trasversale?

Perché le direzioni dei vettori di induzione del campo magnetico e l'intensità del campo elettrico sono perpendicolari tra loro e alla direzione dell'onda.

4. Perché la radiazione delle onde elettromagnetiche avviene con il movimento accelerato delle cariche elettriche? In che modo l'intensità del campo elettrico in un'onda elettromagnetica emessa dipende dall'accelerazione della particella carica emittente?

5. In che modo la densità energetica del campo elettromagnetico dipende dall'intensità del campo elettrico?

Onde elettromagneticheè il processo di propagazione di un campo elettromagnetico alternato nello spazio. Teoricamente, l'esistenza delle onde elettromagnetiche fu prevista dallo scienziato inglese Maxwell nel 1865, e furono ottenute sperimentalmente per la prima volta dallo scienziato tedesco Hertz nel 1888.

Dalla teoria di Maxwell seguono formule che descrivono le oscillazioni dei vettori e. Onda elettromagnetica piana monocromatica che si propaga lungo l'asse X, è descritto dalle equazioni

Qui E E H- valori istantanei, e E me H m - valori di ampiezza dell'intensità del campo elettrico e magnetico, ω - frequenza circolare, K- numero d'onda. I vettori e oscillano con la stessa frequenza e fase, sono reciprocamente perpendicolari e, inoltre, perpendicolari al vettore: la velocità di propagazione delle onde (Fig. 3.7). Cioè, le onde elettromagnetiche sono trasversali.

Nel vuoto le onde elettromagnetiche viaggiano velocemente. In un mezzo con costante dielettrica ε e permeabilità magnetica µ la velocità di propagazione di un’onda elettromagnetica è pari a:

La frequenza delle oscillazioni elettromagnetiche, così come la lunghezza d'onda, in linea di principio può essere qualsiasi cosa. La classificazione delle onde in base alla frequenza (o lunghezza d'onda) è chiamata scala delle onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche si dividono in diversi tipi.

Onde radio hanno una lunghezza d'onda da 10 3 a 10 -4 m.

Onde luminose includere:

Radiazione a raggi X - .

Le onde luminose sono onde elettromagnetiche che comprendono le parti infrarossa, visibile e ultravioletta dello spettro. Le lunghezze d'onda della luce nel vuoto corrispondenti ai colori primari dello spettro visibile sono mostrate nella tabella seguente. La lunghezza d'onda è espressa in nanometri.

Tavolo

Le onde luminose hanno le stesse proprietà delle onde elettromagnetiche.

1. Le onde luminose sono trasversali.

2. I vettori e oscillano in un'onda luminosa.

L'esperienza dimostra che tutti i tipi di influssi (fisiologici, fotochimici, fotoelettrici, ecc.) sono causati dalle oscillazioni del vettore elettrico. Egli è chiamato vettore leggero .

Ampiezza del vettore della luce E m è spesso indicato con la lettera UN e invece dell'equazione (3.30), viene utilizzata l'equazione (3.24).

3. Velocità della luce nel vuoto.

La velocità di un'onda luminosa in un mezzo è determinata dalla formula (3.29). Ma per i mezzi trasparenti (vetro, acqua) è normale.

Per le onde luminose viene introdotto il concetto di indice di rifrazione assoluto.

Indice di rifrazione assolutoè il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in un dato mezzo

Dalla (3.29), tenendo conto del fatto che per i mezzi trasparenti, possiamo scrivere l'uguaglianza.

Per il vuoto ε = 1 e N= 1. Per qualsiasi ambiente fisico N> 1. Ad esempio per l'acqua N= 1,33, per il vetro. Un mezzo con un indice di rifrazione più elevato è detto otticamente più denso. Viene chiamato il rapporto degli indici di rifrazione assoluti indice di rifrazione relativo:

4. La frequenza delle onde luminose è molto alta. Ad esempio, per la luce rossa con lunghezza d'onda.

Quando la luce passa da un mezzo all'altro, la frequenza della luce non cambia, ma cambiano la velocità e la lunghezza d'onda.

Per vuoto - ; per l'ambiente - , quindi

.

Quindi la lunghezza d'onda della luce nel mezzo è uguale al rapporto tra la lunghezza d'onda della luce nel vuoto e l'indice di rifrazione

5. Perché la frequenza delle onde luminose è molto alta , allora l’occhio dell’osservatore non distingue le singole vibrazioni, ma percepisce i flussi energetici medi. Questo introduce il concetto di intensità.

Intensitàè il rapporto tra l'energia media trasferita dall'onda al periodo di tempo e all'area del sito perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda:

Poiché l'energia dell'onda è proporzionale al quadrato dell'ampiezza (vedi formula (3.25)), l'intensità è proporzionale al valore medio del quadrato dell'ampiezza

La caratteristica dell'intensità della luce, tenendo conto della sua capacità di provocare sensazioni visive, è flusso luminoso - F .

6. La natura ondulatoria della luce si manifesta, ad esempio, in fenomeni come l'interferenza e la diffrazione.

Le onde elettromagnetiche sono il risultato di molti anni di dibattiti e migliaia di esperimenti. Prova della presenza di forze di origine naturale capaci di stravolgere la società esistente. Questa è l'effettiva accettazione di una semplice verità: sappiamo troppo poco del mondo in cui viviamo.

La fisica è la regina tra le scienze naturali, capace di fornire risposte a domande sull'origine non solo della vita, ma anche del mondo stesso. Offre agli scienziati la capacità di studiare i campi elettrici e magnetici, la cui interazione genera EMF (onde elettromagnetiche).

Cos'è un'onda elettromagnetica

Non molto tempo fa, sugli schermi del nostro Paese è uscito il film “War of Currents” (2018), che, con un tocco di finzione, racconta la disputa tra due grandi scienziati Edison e Tesla. Uno ha cercato di dimostrare i vantaggi della corrente continua, l'altro della corrente alternata. Questa lunga battaglia terminò solo nel settimo anno del ventunesimo secolo.

All'inizio della "battaglia", un altro scienziato, lavorando sulla teoria della relatività, descrisse l'elettricità e il magnetismo come fenomeni simili.

Nel trentesimo anno del diciannovesimo secolo, il fisico inglese Faraday scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica e introdusse il termine di unità dei campi elettrico e magnetico. Ha inoltre sostenuto che il movimento in questo campo è limitato dalla velocità della luce.

Un po 'più tardi, la teoria dello scienziato inglese Maxwell affermò che l'elettricità provoca un effetto magnetico e il magnetismo provoca la comparsa di un campo elettrico. Poiché entrambi questi campi si muovono nello spazio e nel tempo, formano disturbi, cioè onde elettromagnetiche.

In poche parole, un’onda elettromagnetica è un disturbo spaziale del campo elettromagnetico.

L'esistenza delle onde elettromagnetiche è stata dimostrata sperimentalmente dallo scienziato tedesco Hertz.

Onde elettromagnetiche, loro proprietà e caratteristiche

Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dai seguenti fattori:

• lunghezza (intervallo abbastanza ampio);
• frequenza;
• intensità (o ampiezza della vibrazione);
• quantità di energia.

La proprietà fondamentale di tutta la radiazione elettromagnetica è la sua lunghezza d'onda (nel vuoto), che di solito è espressa in nanometri per lo spettro della luce visibile.

Ogni nanometro rappresenta un millesimo di micrometro e viene misurato dalla distanza tra due picchi consecutivi (vertici).

La corrispondente frequenza di emissione di un'onda è il numero di oscillazioni sinusoidali ed è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda.

La frequenza viene solitamente misurata in Hertz. Pertanto, le onde più lunghe corrispondono alla radiazione a frequenza più bassa, mentre le onde più corte corrispondono alla radiazione ad alta frequenza.

Proprietà fondamentali delle onde:

• rifrazione;
• riflessione;
• assorbimento;
• interferenza.

Velocità delle onde elettromagnetiche

L'effettiva velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica dipende dal materiale del mezzo, dalla sua densità ottica e dalla presenza di fattori come la pressione.

Inoltre, materiali diversi hanno densità diverse di “impacchettamento” di atomi; più sono vicini, minore è la distanza e maggiore è la velocità. Di conseguenza, la velocità di un'onda elettromagnetica dipende dal materiale attraverso il quale viaggia.

Esperimenti simili vengono condotti nel collisore di adroni, dove il principale strumento d'influenza è una particella carica. Lo studio dei fenomeni elettromagnetici avviene lì a livello quantistico, quando la luce viene scomposta in minuscole particelle: i fotoni. Ma la fisica quantistica è un argomento a parte.

Secondo la teoria della relatività, la massima velocità di propagazione delle onde non può superare la velocità della luce. Maxwell ha descritto la finitezza del limite di velocità nelle sue opere, spiegandolo con la presenza di un nuovo campo: l'etere. La scienza ufficiale moderna non ha ancora studiato tale relazione.

Radiazione elettromagnetica e sue tipologie

La radiazione elettromagnetica è costituita da onde elettromagnetiche, osservate come oscillazioni di campi elettrici e magnetici, che si propagano alla velocità della luce (300 km al secondo nel vuoto).

Quando la radiazione EM interagisce con la materia, il suo comportamento cambia qualitativamente al variare della frequenza. Perché si trasforma in:

1. Emissioni radio. Alle radiofrequenze e alle microonde, la radiazione elettromagnetica interagisce con la materia principalmente sotto forma di un insieme comune di cariche distribuite su un gran numero di atomi interessati.
2. Radiazione infrarossa. A differenza delle radiazioni radio e a microonde a bassa frequenza, un emettitore infrarosso interagisce tipicamente con i dipoli presenti nelle singole molecole che cambiano alle estremità di un legame chimico a livello atomico mentre vibrano.
3. Emissione di luce visibile. Quando la frequenza aumenta nel campo visibile, i fotoni hanno energia sufficiente per modificare la struttura di legame di alcune singole molecole.
4. Radiazioni ultraviolette. La frequenza aumenta. I fotoni ultravioletti ora contengono abbastanza energia (più di tre volt) per agire doppiamente sui legami delle molecole, riorganizzandoli costantemente chimicamente.
5. Radiazione ionizzante. Alle frequenze più alte e alle lunghezze d'onda più corte. L'assorbimento di questi raggi da parte della materia influenza l'intero spettro gamma. L'effetto più famoso è la radiazione.

Qual è la fonte delle onde elettromagnetiche

Il mondo, secondo la giovane teoria dell'origine di tutto, è nato per impulso. Ha rilasciato un'energia colossale, chiamata big bang. È così che è apparsa la prima onda em nella storia dell'universo.

Attualmente, le fonti di formazione dei disturbi includono:

• L'EMW è emessa da un vibratore artificiale;
• il risultato della vibrazione di gruppi atomici o parti di molecole;
• se c'è un impatto sul guscio esterno della sostanza (a livello atomico-molecolare);
• effetto simile alla luce;
• durante il decadimento nucleare;
• conseguenza della frenatura elettronica.

Scala e applicazione della radiazione elettromagnetica

La scala della radiazione si riferisce ad un ampio intervallo di frequenze d'onda da 3·10 6 ÷10 -2 a 10 -9 ÷ 10 -14.

Ogni parte dello spettro elettromagnetico ha una vasta gamma di applicazioni nella nostra vita quotidiana:

1. Onde corte (microonde). Queste onde elettriche vengono utilizzate come segnale satellitare perché sono in grado di aggirare l'atmosfera terrestre. Inoltre, per il riscaldamento e la cottura in cucina viene utilizzata una versione leggermente migliorata: si tratta di un forno a microonde. Il principio di cottura è semplice: sotto l'influenza delle radiazioni a microonde, le molecole d'acqua vengono assorbite e accelerate, provocando il riscaldamento del piatto.
2. I disturbi lunghi vengono utilizzati nella tecnologia radio (onde radio). La loro frequenza non consente il passaggio delle nuvole e dell'atmosfera, grazie alla quale abbiamo a disposizione la radio e la televisione FM.
3. Il disturbo degli infrarossi è direttamente correlato al calore. È quasi impossibile vederlo. Prova a notare il raggio dal pannello di controllo della tua TV, stereo o autoradio senza apparecchiature speciali. Negli eserciti dei paesi vengono utilizzati dispositivi in ​​grado di leggere tali onde (dispositivi per la visione notturna). Anche nei piani cottura a induzione nelle cucine.
4. L'ultravioletto è anche legato al calore. Il più potente “generatore” naturale di tali radiazioni è il sole. È a causa dell'azione delle radiazioni ultraviolette che si forma l'abbronzatura sulla pelle umana. In medicina, questo tipo di onde viene utilizzato per disinfettare gli strumenti, uccidere i germi e.
5. I raggi gamma sono il tipo di radiazione più potente, in cui si concentrano i disturbi a onde corte ad alta frequenza. L'energia contenuta in questa parte dello spettro elettromagnetico conferisce ai raggi un maggiore potere penetrante. Applicabile nella fisica nucleare - armi pacifiche e nucleari - uso in combattimento.

L'influenza delle onde elettromagnetiche sulla salute umana

Misurare gli effetti dei campi elettromagnetici sugli esseri umani è responsabilità degli scienziati. Ma non è necessario essere uno specialista per valutare l'intensità delle radiazioni ionizzanti: provoca cambiamenti a livello del DNA umano, che comportano malattie gravi come l'oncologia.

Non per niente gli effetti dannosi del disastro della centrale nucleare di Chernobyl sono considerati tra i più pericolosi per la natura. Diversi chilometri quadrati del territorio, un tempo bellissimo, sono diventati una zona di completa esclusione. Fino alla fine del secolo, l'esplosione della centrale nucleare di Chernobyl rappresenta un pericolo fino alla fine del periodo di dimezzamento dei radionuclidi.

Alcuni tipi di onde elettromagnetiche (radio, infrarossi, ultravioletti) non causano gravi danni agli esseri umani e causano solo disagio. Dopotutto, praticamente non riusciamo a sentire il campo magnetico terrestre, ma le onde elettromagnetiche di un telefono cellulare possono causare mal di testa (impatto sul sistema nervoso).

Per proteggere la tua salute dall'elettromagnetismo, dovresti semplicemente usare precauzioni ragionevoli. Invece di trascorrere centinaia di ore giocando a un videogioco, fai una passeggiata.