Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Простая физика - 16. Электромагнитные волны.

Опыты и уравнения.  Опыты по электричеству и магнетизму, интенсивно проводившиеся в 18-м веке и первой половине 19-го, очень многие пытались обобщить, построив адекватную опытам теорию электромагнетизма. Впервые полноценно это удалось сделать Максвеллу (1860). Получившие его имя и полностью согласующиеся со всеми известными опытами уравнения для напряженностей электрического и магнитного полей являются совокупностью двух скалярных и двух векторных уравнений в частных производных.
        Соблюдая зарок не писать никаких уравнений, представлю уравнения Максвелла в символическом виде:

                                                                              Е <=
ρ + Н~

                                                                    H <= j + E~

Здесь Е – вектор напряженности электрического поля, H – вектор напряженности магнитного поля, ρ – пространственная плотность электрических зарядов, j – вектор пространственной плотности электрических токов, а значок "~", стоящий за вектором напряженности поля, означает то, что учитывается только изменение этого поля во времени.
Поэтому первое из написанных выше символических уравнений Максвелла говорит о том, что электрическое поле генерируется электрическими зарядами и переменным во времени магнитным полем. А второе – о том, что магнитное поле генерируется электрическими токами и переменным во времени электрическим полем. При этом эти уравнения говорят еще и о том, что магнитных зарядов в природе не существует.
Электромагнитные волны.  Уравнения Максвелла, как сразу же стало ясно, не только не противоречили ни одному опытному факту, но и предсказывали совершенно новое явление – свободные электромагнитные волны. Действительно, если из этих уравнений вычеркнуть электрические заряды и токи, то легко увидеть, что отличные от нуля их решения существуют. Простейшее из таких решений имеет вид плоской электромагнитной волны (см. рисунок):

Волна_html_6f17ef5d

где К – направление распространения этой волны.
 
В теории электромагнитные волны были "открыты" сразу после обнародования уравнений Максвелла. Но в эксперименте они были обнаружены на 20 лет позже. Сделал это Герц, именем которого была названа единица измерения частоты колебаний. А осознанное практическое применение электромагнитных волн началось с момента изобретения радио.
Свойства электромагнитной волны существенно зависят от ее длины λ и частоты излучения (частоты колебаний полей в волне в герцах) v, которые связаны простым соотношением:

                                                                                    λ = с / v ,

где с = 300 тысяч км/сек - скорость света. Посмотрим же на разные диапазоны длин электромагнитных волн:
Радиоволны. Длинные и средние радиоволны: длины волн - километры и сотни метров, частоты => сотни килогерц. Короткие и УК радиоволны: длины волн - от сантиметров до десятков метров, частоты => мегагерцы, десятки, сотни и тысячи мегагерц). Основной их источник – радиопередатчики, телепередатчики, станции сотовой связи и другие, созданные человеком, приборы.
Надо сказать, что наблюдаемая интенсивность радиоволн, излучаемых не созданными человеком приборами, чрезвычайно мала. Настолько, что во всех используемых человечеством радиодиапазонах Земля уже к концу прошлого века была в миллионы раз ярче Солнца. Поэтому некоторые исследователи предлагали даже искать внеземные цивилизации именно в используемых нами радиодиапазонах. Но построить на все диапазоны радиотелескопов никаких денег никогда не хватит.
Интересно также, что имеющаяся почти в каждой квартире микроволновка работает на частоте примерно 2,5 ГГц (длина волны примерно 10 см), а сотовые телефоны в рамках системы 3G – на очень близких частотах в 0,5–1,8 ГГц. Уровень опасностей – очевидно разный. Ибо различие – как в существенно разной мощности излучателей, так и в соответствующей экранировке излучения в СВЧ-печках.
Световой и близкие диапазоны. Инфракрасное излучение (длины волн порядка одной десятитысячной доли сантиметра), солнечный свет и видимое глазами излучение (узкий диапазон между инфракрасным и ультрафиолетовым), ультрафиолетовое излучение (длины волн порядка одной стотысячной доли сантиметра). Основные источники – Солнце и нагретые до многих сотен и тысяч градусов тела (тепловое излучение), а также излучение при квантовых переходах электронов во внешних электронных оболочках атомов и молекул с одного энергетического уровня на другой. В том числе – в созданных человеком приборах, например, в лазерах.
Рентгеновское излучение. Длины волн от ультрафиолетового диапазона до размера атома = одной стомиллионной доли сантиметра. Основной природный источник – излучение фотонов при квантовых переходах электронов во внутренних электронных оболочках атомов с одного уровня на другой. В медицинских аппаратах используется тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении веществом анода разогнанных в электрическом поле между катодом и анодом электронов.
Рентгеновское излучение гораздо более проникающее, чем все описанные выше. Причина его повышенной проникающей способности состоит в том, что оно почти не взаимодействует с внешними электронными оболочками атомов. Которые и определяют течение биохимических процессов в живых организмах. Поэтому при используемых в медицине интенсивностях такого излучения и не слишком частого его применения к конкретному человеку, особой опасности для его здоровья оно не представляет.
Гамма-излучение. Длины волн - от размера атома до размера атомного ядра, которое примерно в сто тысяч раз меньше размера атома). Основной природный источник – излучение фотонов при квантовых переходах протонов и нейтронов внутри атомного ядра с одного энергетического уровня на другой. Дополнительные – тормозное излучение (о нем говорилось выше) и космические лучи.
Выше при описании электромагнитной радиации мы применяли два понятия – волны и кванты (фотоны). На самом деле это нечто единое. Любой квант – это волновой цуг, состоящий из модулированной по амплитуде волны электромагнитного поля. И длина такого цуга превышает длину волны, как минимум, в разы и десятки раз. Поэтому когда мы говорим о средних и длинных радиоволнах, длина цуга которых – километры и десятки километров, естественно говорить о волнах. А когда обсуждаем рентгеновское и гамма излучение, длина цуга в котором неразличима даже в микроскопы с наивысшей разрешающей способностью, естественно говорить о частицах – квантах (фотонах).
Заметим также, что энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональна частоте кванта: Е = h * v , где h – некая постоянная (Планка), v – частота излучения. Иными словами – чем короче длина волны электромагнитной радиации (чем выше ее частота), тем энергичнее представляющие ее кванты.

Tags: Физика на пальцах
Subscribe
promo moralg march 5, 2018 03:01 44
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 9 comments