Jak mierzy się falę elektromagnetyczną? Fale elektromagnetyczne i ich promieniowanie

Za każdym razem, gdy prąd elektryczny zmienia swoją częstotliwość lub kierunek, generuje fale elektromagnetyczne – oscylacje pól sił elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni. Jednym z przykładów jest zmieniający się prąd w antenie nadajnika radiowego, który tworzy pierścienie fal radiowych rozchodzących się w przestrzeni.

Energia fali elektromagnetycznej zależy od jej długości - odległości między dwoma sąsiednimi „szczytami”. Im krótsza długość fali, tym większa jest jej energia. Fale elektromagnetyczne dzieli się według malejącej długości na fale radiowe, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Długość fali promieniowania gamma nie sięga nawet stu miliardowych części metra, natomiast fale radiowe mogą mieć długość mierzoną w kilometrach.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w przestrzeni z prędkością światła, a linie sił ich pól elektrycznych i magnetycznych są ustawione pod kątem prostym względem siebie i do kierunku ruchu fali.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się stopniowo poszerzającymi się kręgami z anteny nadawczej dwukierunkowej stacji radiowej, podobnie jak fale, gdy kamyk wpada do stawu. Zmienny prąd elektryczny w antenie wytwarza fale składające się z pól elektrycznych i magnetycznych.

Schemat fali elektromagnetycznej

Fala elektromagnetyczna rozchodzi się po linii prostej, a jej pola elektryczne i magnetyczne są prostopadłe do przepływu energii.

Załamanie fal elektromagnetycznych

Podobnie jak światło, wszystkie fale elektromagnetyczne ulegają załamaniu, gdy wejdą w materię pod dowolnym kątem innym niż bezpośredni.

Odbicie fal elektromagnetycznych

Jeśli fale elektromagnetyczne padają na metalową powierzchnię paraboliczną, skupiają się w jednym punkcie.

Powstawanie fal elektromagnetycznych

fałszywy wzór fal elektromagnetycznych emitowanych przez antenę nadawczą powstaje w wyniku pojedynczej oscylacji prądu elektrycznego. Gdy prąd przepływa przez antenę, pole elektryczne (czerwone linie) jest kierowane z góry na dół, a pole magnetyczne (zielone linie) jest skierowane w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Jeśli prąd zmieni swój kierunek, to samo dzieje się z polami elektrycznymi i magnetycznymi.

), opisując pole elektromagnetyczne, teoretycznie pokazało, że pole elektromagnetyczne w próżni może istnieć przy braku źródeł - ładunków i prądów. Pole bez źródeł ma postać fal rozchodzących się ze skończoną prędkością, która w próżni jest równa prędkości światła: Z= 299792458±1,2 m/s. Zbieżność prędkości propagacji fal elektromagnetycznych w próżni z wcześniej zmierzoną prędkością światła pozwoliła Maxwellowi stwierdzić, że światło jest falą elektromagnetyczną. Podobny wniosek stał się później podstawą elektromagnetycznej teorii światła.

W 1888 r. teoria fal elektromagnetycznych została potwierdzona eksperymentalnie w eksperymentach G. Hertza. Używając źródła wysokiego napięcia i wibratorów (patrz wibrator Hertza), Hertz był w stanie przeprowadzić subtelne eksperymenty w celu określenia prędkości propagacji fali elektromagnetycznej i jej długości. Potwierdzono eksperymentalnie, że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła, co dowodzi elektromagnetycznej natury światła.

2. Opisz doświadczenie Hertza polegające na wykrywaniu fal elektromagnetycznych

3. Wyjaśnij wyniki doświadczenia Hertza wykorzystując teorię Maxwella. Dlaczego fala elektromagnetyczna jest poprzeczna?

Ponieważ kierunki wektorów indukcji pola magnetycznego i natężenia pola elektrycznego są prostopadłe do siebie i do kierunku fali.

4. Dlaczego promieniowanie fal elektromagnetycznych następuje przy przyspieszonym ruchu ładunków elektrycznych? W jaki sposób natężenie pola elektrycznego w emitowanej fali elektromagnetycznej zależy od przyspieszenia emitującej naładowanej cząstki?

5. Jak gęstość energii pola elektromagnetycznego zależy od natężenia pola elektrycznego?

Fale elektromagnetyczne to proces rozchodzenia się zmiennego pola elektromagnetycznego w przestrzeni. Teoretycznie istnienie fal elektromagnetycznych przewidział angielski naukowiec Maxwell w 1865 r., a po raz pierwszy uzyskał je eksperymentalnie niemiecki naukowiec Hertz w 1888 r.

Z teorii Maxwella wynikają wzory opisujące drgania wektorów i. Płaska monochromatyczna fala elektromagnetyczna rozchodząca się wzdłuż osi X, opisano równaniami

Tutaj mi I H- wartości chwilowe oraz mi m i H m - wartości amplitudy natężenia pola elektrycznego i magnetycznego, ω - częstotliwość kołowa, k- numer fali. Wektory i oscylują z tą samą częstotliwością i fazą, są wzajemnie prostopadłe, a dodatkowo prostopadłe do wektora – prędkości propagacji fali (rys. 3.7). Oznacza to, że fale elektromagnetyczne są poprzeczne.

W próżni fale elektromagnetyczne przemieszczają się z dużą prędkością. W ośrodku o stałej dielektrycznej ε i przenikalność magnetyczna µ prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest równa:

Częstotliwość oscylacji elektromagnetycznych, a także długość fali, mogą w zasadzie być dowolne. Klasyfikacja fal według częstotliwości (lub długości fali) nazywana jest skalą fal elektromagnetycznych. Fale elektromagnetyczne dzielą się na kilka rodzajów.

Fale radiowe mają długość fali od 10 3 do 10 -4 m.

Fale świetlne włączać:

Promieniowanie rentgenowskie - .

Fale świetlne to fale elektromagnetyczne obejmujące część widma podczerwoną, widzialną i ultrafioletową. Długości fal światła w próżni odpowiadające barwom podstawowym widma widzialnego przedstawiono w poniższej tabeli. Długość fali podana jest w nanometrach.

Tabela

Fale świetlne mają takie same właściwości jak fale elektromagnetyczne.

1. Fale świetlne są poprzeczne.

2. Wektory i oscylują w fali świetlnej.

Doświadczenie pokazuje, że wszelkiego rodzaju wpływy (fizjologiczne, fotochemiczne, fotoelektryczne itp.) są spowodowane oscylacjami wektora elektrycznego. Jest on nazywany wektor światła .

Amplituda wektora światła mi m jest często oznaczone literą A i zamiast równania (3.30) stosuje się równanie (3.24).

3. Prędkość światła w próżni.

Prędkość fali świetlnej w ośrodku określa wzór (3.29). Ale w przypadku mediów przezroczystych (szkło, woda) jest to normalne.

Dla fal świetlnych wprowadzono pojęcie bezwzględnego współczynnika załamania światła.

Bezwzględny współczynnik załamania światła jest stosunkiem prędkości światła w próżni do prędkości światła w danym ośrodku

Z (3.29), biorąc pod uwagę fakt, że dla mediów przezroczystych możemy zapisać równość.

Do próżni ε = 1 i N= 1. Dla dowolnego środowiska fizycznego N> 1. Na przykład dla wody N= 1,33, dla szkła. Ośrodek o wyższym współczynniku załamania światła nazywany jest optycznie gęstszym. Nazywa się stosunek bezwzględnych współczynników załamania światła względny współczynnik załamania światła:

4. Częstotliwość fal świetlnych jest bardzo wysoka. Na przykład dla światła czerwonego o długości fali.

Kiedy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, częstotliwość światła nie zmienia się, ale zmienia się prędkość i długość fali.

Do próżni -; dla środowiska - w takim razie

.

Zatem długość fali światła w ośrodku jest równa stosunkowi długości fali światła w próżni do współczynnika załamania światła

5. Ponieważ częstotliwość fal świetlnych jest bardzo wysoka , wówczas oko obserwatora nie rozróżnia poszczególnych wibracji, lecz dostrzega średnie przepływy energii. To wprowadza pojęcie intensywności.

Intensywność to stosunek średniej energii przenoszonej przez falę do okresu czasu i powierzchni miejsca prostopadłej do kierunku propagacji fali:

Ponieważ energia fali jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy (patrz wzór (3.25)), natężenie jest proporcjonalne do średniej wartości kwadratu amplitudy

Cechą natężenia światła, biorąc pod uwagę jego zdolność do wywoływania wrażeń wzrokowych, jest strumień świetlny - F .

6. Falowa natura światła objawia się m.in. zjawiskami takimi jak interferencja i dyfrakcja.

Fale elektromagnetyczne są wynikiem wielu lat debat i tysięcy eksperymentów. Dowód na obecność sił pochodzenia naturalnego zdolnych wywrócić do góry nogami istniejące społeczeństwo. To faktyczna akceptacja prostej prawdy – za mało wiemy o świecie, w którym żyjemy.

Fizyka jest królową nauk przyrodniczych, zdolną udzielić odpowiedzi na pytania o pochodzenie nie tylko życia, ale także samego świata. Daje naukowcom możliwość badania pól elektrycznych i magnetycznych, których oddziaływanie generuje EMF (fale elektromagnetyczne).

Co to jest fala elektromagnetyczna

Nie tak dawno temu na ekranach naszego kraju trafił film „Wojna prądów” (2018), który z domieszką fikcji opowiada o sporze pomiędzy dwoma wielkimi naukowcami Edisonem i Teslą. Jeden próbował udowodnić zalety prądu stałego, drugi – prądu przemiennego. Ta długa bitwa zakończyła się dopiero w siódmym roku XXI wieku.

Już na samym początku „bitwy” inny naukowiec pracujący nad teorią względności opisał elektryczność i magnetyzm jako zjawiska podobne.

W trzydziestym roku XIX wieku urodzony w Anglii fizyk Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej i wprowadził pojęcie jedności pola elektrycznego i magnetycznego. Twierdził również, że ruch w tym polu jest ograniczony prędkością światła.

Nieco później teoria angielskiego naukowca Maxwella stwierdziła, że ​​elektryczność powoduje efekt magnetyczny, a magnetyzm powoduje pojawienie się pola elektrycznego. Ponieważ oba te pola poruszają się w przestrzeni i czasie, tworzą zakłócenia - czyli fale elektromagnetyczne.

Mówiąc najprościej, fala elektromagnetyczna jest przestrzennym zaburzeniem pola elektromagnetycznego.

Istnienie fal elektromagnetycznych zostało eksperymentalnie udowodnione przez niemieckiego naukowca Hertza.

Fale elektromagnetyczne, ich właściwości i charakterystyka

Fale elektromagnetyczne charakteryzują się następującymi czynnikami:

• długość (dość szeroki zakres);
• częstotliwość;
• intensywność (lub amplituda wibracji);
• ilość energii.

Podstawową właściwością wszelkiego promieniowania elektromagnetycznego jest jego długość fali (w próżni), która dla widma światła widzialnego jest zwykle podawana w nanometrach.

Każdy nanometr reprezentuje tysięczną mikrometra i jest mierzony odległością pomiędzy dwoma kolejnymi pikami.

Odpowiednia częstotliwość emisji fali to liczba sinusoidalnych oscylacji i odwrotność długości fali.

Częstotliwość jest zwykle mierzona w hercach. Zatem dłuższe fale odpowiadają promieniowaniu o niższej częstotliwości, a krótsze fale odpowiadają promieniowaniu o wysokiej częstotliwości.

Podstawowe właściwości fal:

• refrakcja;
• odbicie;
• wchłanianie;
• ingerencja.

Prędkość fali elektromagnetycznej

Rzeczywista prędkość propagacji fali elektromagnetycznej zależy od materiału ośrodka, jego gęstości optycznej oraz obecności czynników takich jak ciśnienie.

Ponadto różne materiały mają różną gęstość „upakowania” atomów; im bliżej są położone, tym mniejsza jest odległość i większa prędkość. W rezultacie prędkość fali elektromagnetycznej zależy od materiału, przez który się przemieszcza.

Podobne eksperymenty przeprowadza się w zderzaczu hadronów, gdzie głównym narzędziem oddziaływania jest naładowana cząstka. Badanie zjawisk elektromagnetycznych odbywa się tam na poziomie kwantowym, gdy światło rozkłada się na drobne cząstki – fotony. Ale fizyka kwantowa to osobny temat.

Zgodnie z teorią względności największa prędkość rozchodzenia się fali nie może przekraczać prędkości światła. Maxwell opisywał w swoich pracach skończoność ograniczenia prędkości, tłumacząc to obecnością nowego pola – eteru. Współczesna oficjalna nauka nie badała jeszcze takiego związku.

Promieniowanie elektromagnetyczne i jego rodzaje

Promieniowanie elektromagnetyczne składa się z fal elektromagnetycznych, które obserwuje się w postaci oscylacji pola elektrycznego i magnetycznego, rozchodzących się z prędkością światła (300 km na sekundę w próżni).

Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią, jego zachowanie zmienia się jakościowo wraz ze zmianą częstotliwości. Dlaczego przekształca się w:

1. Emisje radiowe. Na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią głównie w postaci wspólnego zestawu ładunków, które są rozmieszczone na dużej liczbie dotkniętych atomów.
2. Promieniowanie podczerwone. W przeciwieństwie do promieniowania radiowego i mikrofalowego o niskiej częstotliwości, emiter podczerwieni zazwyczaj oddziałuje z dipolami obecnymi w poszczególnych cząsteczkach, które w trakcie wibracji zmieniają się na końcach wiązań chemicznych na poziomie atomowym.
3. Emisja światła widzialnego. Wraz ze wzrostem częstotliwości w zakresie widzialnym fotony mają wystarczającą energię, aby zmienić strukturę związaną niektórych pojedynczych cząsteczek.
4. Promieniowanie ultrafioletowe. Częstotliwość wzrasta. Fotony ultrafioletowe zawierają obecnie wystarczającą ilość energii (ponad trzy wolty), aby oddziaływać podwójnie na wiązania cząsteczek, stale przestawiając je chemicznie.
5. Promieniowanie jonizujące. Przy najwyższych częstotliwościach i najkrótszych falach. Absorpcja tych promieni przez materię wpływa na całe widmo gamma. Najbardziej znanym efektem jest promieniowanie.

Jakie jest źródło fal elektromagnetycznych

Świat według młodej teorii pochodzenia wszystkiego powstał pod wpływem impulsu. Wyzwolił kolosalną energię, którą nazwano Wielkim Wybuchem. W ten sposób pojawiła się pierwsza w historii wszechświata fala em.

Obecnie źródłami powstawania zaburzeń są:

• EMW jest emitowane przez sztuczny wibrator;
• wynik wibracji grup atomowych lub części cząsteczek;
• jeśli występuje wpływ na zewnętrzną powłokę substancji (na poziomie atomowo-molekularnym);
• efekt podobny do światła;
• podczas rozpadu jądrowego;
• konsekwencja hamowania elektronów.

Skala i zastosowanie promieniowania elektromagnetycznego

Skala promieniowania odnosi się do dużego zakresu częstotliwości fal od 3,10 6 ÷10 -2 do 10 -9 ÷ 10 -14.

Każda część widma elektromagnetycznego ma szeroki zakres zastosowań w naszym codziennym życiu:

1. Fale krótkie (mikrofale). Te fale elektryczne są wykorzystywane jako sygnał satelitarny, ponieważ są w stanie ominąć atmosferę ziemską. Do ogrzewania i gotowania w kuchni służy również nieco ulepszona wersja - jest to kuchenka mikrofalowa. Zasada gotowania jest prosta – pod wpływem promieniowania mikrofalowego cząsteczki wody są pochłaniane i przyspieszane, co powoduje nagrzewanie się naczynia.
2. W technice radiowej wykorzystuje się długie zakłócenia (fale radiowe). Ich częstotliwość nie pozwala na przenikanie chmur i atmosfery, dzięki czemu radio i telewizja FM są dla nas dostępne.
3. Zakłócenia w podczerwieni są bezpośrednio związane z ciepłem. Prawie nie da się go zobaczyć. Spróbuj bez specjalnego sprzętu zauważyć wiązkę z panelu sterowania telewizora, zestawu stereo lub radia samochodowego. Urządzenia zdolne do odczytania takich fal są używane w armiach krajów (noktowizory). Również w kuchenkach indukcyjnych w kuchniach.
4. Ultrafiolet jest również powiązany z ciepłem. Najpotężniejszym naturalnym „generatorem” takiego promieniowania jest słońce. To w wyniku działania promieniowania ultrafioletowego na ludzkiej skórze powstaje opalenizna. W medycynie tego typu fale wykorzystuje się do dezynfekcji instrumentów, zabijania zarazków i.
5. Promienie gamma są najpotężniejszym rodzajem promieniowania, w którym skupiają się zakłócenia krótkofalowe o wysokiej częstotliwości. Energia zawarta w tej części widma elektromagnetycznego nadaje promieniom większą siłę przenikania. Ma zastosowanie w fizyce jądrowej - broń pokojowa, broń nuklearna - zastosowanie bojowe.

Wpływ fal elektromagnetycznych na zdrowie człowieka

Za pomiar wpływu pola elektromagnetycznego na ludzi odpowiadają naukowcy. Ale nie trzeba być specjalistą, aby ocenić intensywność promieniowania jonizującego - wywołuje ono zmiany na poziomie ludzkiego DNA, co pociąga za sobą tak poważne choroby, jak onkologia.

Nie bez powodu szkodliwe skutki katastrofy elektrowni jądrowej w Czarnobylu uważane są za jedne z najniebezpieczniejszych dla przyrody. Kilka kilometrów kwadratowych niegdyś pięknego terytorium stało się strefą całkowitego wykluczenia. Do końca stulecia wybuch w elektrowni jądrowej w Czarnobylu stwarzał zagrożenie aż do zakończenia okresu półtrwania radionuklidów.

Niektóre rodzaje fal elektromagnetycznych (radiowe, podczerwone, ultrafioletowe) nie powodują poważnych szkód dla ludzi, a jedynie powodują dyskomfort. W końcu praktycznie nie czujemy pola magnetycznego Ziemi, ale pole elektromagnetyczne z telefonu komórkowego może powodować ból głowy (wpływ na układ nerwowy).

Aby chronić swoje zdrowie przed promieniowaniem elektromagnetycznym, należy po prostu zachować rozsądne środki ostrożności. Zamiast spędzać setki godzin grając w grę komputerową, idź na spacer.