Электромагнитная волна и ее распределение в пространстве. Электромагнитные волны — свойства и характеристика

Дж. Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. В пространстве, где существует переменное магнитное поле, возбуждается переменное электрическое поле, и наоборот.

Электромагнитное поле – один из видов материи, характеризуемый наличием электрического и магнитного полей, связанных непрерывным взаимным превращением.

Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Эти волны излучаются колеблющимися заряженными частицами, которые при этом движутся в проводнике с ускорением. При движении заряда в проводнике создается переменное электрическое поле, которое порождает переменное магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызывает появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с течением времени, называется электромагнитной волной .

Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме или любом другом веществе. Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света c=3·10 8 м/с . В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Электромагнитная волна переносит энергию.

Электромагнитная волна обладает следующими основными свойствами: распространяется прямолинейно, она способна преломляться, отражаться, ей присущи явления дифракции, интерференции, поляризации. Всеми этими свойствами обладают световые волны , занимающие в шкале электромагнитных излучений соответствующий диапазон длин волн.

Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной. Посмотрев на шкалу электромагнитных волн с указанием длин волн и частот различных излучений, мы различим 7 диапазонов: низкочастотные излучения, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

• Низкочастотные волны . Источники излучения: токи высокой частоты, генератор переменного тока, электрические машины. Применяются для плавки и закалки металлов, изготовление постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.
• Радиоволны возникают в антеннах радио- и телевизионных станций, мобильных телефонах, радарах и т. д. Применяются в радиосвязи, телевидении, радиолокации.
• Инфракрасные волны излучают все нагретые тела. Применение: плавка, резка, сварка тугоплавких металлов с помощью лазеров, фотографирование в тумане и темноте, сушка древесины, фруктов и ягод, приборы ночного видения.
• Видимое излучение. Источники — Солнце, электрическая и люминесцентная лампа, электрическая дуга,лазер. Применяется: освещение, фотоэффект, голография.
• Ультрафиолетовые излучение . Источники: Солнце, космос, газоразрядная (кварцевая) лампа, лазер. Оно способно убивать болезнетворные бактерии. Применяется для закаливания живых организмов.
• Рентгеновское излучение .

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.

Поляризация – одна из основных волновых атрибутов. Описывает поперечную анизотропию электромагнитных волн. Излучение считается поляризованным тогда, когда все волновые колебания происходят в одной плоскости.

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 от 30 кГц до 300 ГГц.

Их источниками может быть как деятельность человека, так и различные естественные атмосферные явления.

2. . Длина волны лежит в пределах 1мм — 780нм, а может доходить до 429 ТГц. Инфракрасное излучение еще называют тепловым. Основа всей жизни на нашей планете.

3. Видимый свет. Длина 400 — 760/780нм. Соответственно колеблется в пределах 790-385 ТГц. Сюда относят весь спектр излучения, которое можно увидеть человеческим глазом.

4. . Длина волны меньше, чем в инфракрасного излучения.

Может доходить до 10 нм. таких волн очень большая – порядка 3х10^16 Гц.

5. Рентгеновские лучи . волны 6х10^19 Гц, а длина порядка 10нм — 5пм.

6. Гамма волны. Сюда относят любое излучение, 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.

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.

Важность электромагнитного излучения в практической жизни человека сложно переоценить.

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.

Электромагнитные волны – это результат многолетних споров и тысяч экспериментов. Доказательство наличия сил природного происхождения, способных перевернуть сложившееся общество. Это фактическое принятие простой истины – мы слишком мало знаем о мире, в котором живем.

Физика – королева среди наук о природе, способная дать ответы на вопросы происхождения не только жизни, но и самого мира. Она дает ученым способность изучать электрическое и магнитное поле, взаимодействие которых порождает ЭМВ (электромагнитные волны).

Что такое электромагнитная волна

Не так давно на экраны нашей страны вышел фильм «Война токов» (2018), где с ноткой художественного вымысла рассказывается о споре двух великих ученых Эдисона и Теслы. Один пытался доказать выгоду от постоянного тока, другой — от переменного. Эта продолжительная битва закончилась только в седьмом году двадцать первого века.

В самом начале «сражения» другой ученый, занимаясь проработкой теории относительности, описывал электричество и магнетизм как похожие явления.

В тридцатом году девятнадцатого века физик английского происхождения Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и ввел термин единства поля электрического и магнитного. Также он утверждал, что движение в этом поле ограничено скоростью света.

Чуть позже теория английского ученого Максвелла поведала о том, что электричество вызывает магнитный эффект, а магнетизм — появление электрического поля. Поскольку оба этих поля движутся в пространстве и времени, то образуют возмущения – то есть электромагнитные волны.

Говоря проще электромагнитная волна – это пространственное возмущение электромагнитного поля.

Экспериментально существование ЭМВ доказал немецкий ученый Герц.

Электромагнитные волны, их свойства и характеристика

Электромагнитные волны характеризуются следующими факторами:

• длиной (достаточно широким диапазоном);
• частотой;
• интенсивностью (или амплитудой колебания);
• количеством энергии.

Основное свойство всех электромагнитных излучений – это величина длины волны (в вакууме), которая обычно указывается в нанометрах для видимого светового спектра.

Каждый нанометр представляет тысячную часть микрометра и измеряется расстоянием между двумя последовательными пиками (вершинами).

Соответствующая частота излучения волны – это число синусоидальных колебаний и обратная пропорциональность длине волны.

Частота обычно измеряется в Герцах. Таким образом, более длинные волны соответствуют более низкой частоте излучения, а более короткие — высокой частоте излучения.

Основные свойства волн:

• преломление;
• отражение;
• поглощение;
• интерференция.

Скорость электромагнитной волны

Фактическая скорость распространения электромагнитной волны зависит от материала, которым обладает среда, ее оптической плотности и наличия такого фактора как давление.

Кроме того, различные материалы имеют разную плотность «упаковки» атомов, чем ближе они расположены, тем меньше расстояние и выше скорость. В результате скорость электромагнитной волны зависит от материала, через который она движется.

Подобные эксперименты ставятся в адронном коллайдере, где главным инструментом воздействия является заряженная частица. Изучение электромагнитных явлений происходит там на квантовом уровне, когда свет раскладывается на мельчайшие частицы – фотоны. Но квантовая физика – это отдельная тема.

Согласно теории относительности, наибольшая скорость распространения волны не может превышать световую. Конечность скоростного предела в своих трудах описал Максвелл, объясняя это наличием нового поля – эфир. Современная официальная наука подобную взаимосвязь пока не изучала.

Электромагнитное излучение и его виды

Электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн, которые наблюдаются в виде колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся на скорости света (300 км за секунду в вакууме).

Когда ЭМ-излучение взаимодействует с веществом, его поведение качественно меняется по мере изменения частоты. Отчего оно преобразуется в:

1. Радиоизлучение. На радиочастотах и микроволновых частотах эм–излучение взаимодействует с веществом в основном в виде общего набора зарядов, которые распределены по большому количеству затронутых атомов.
2. Инфракрасное излучение. В отличие от низкочастотного радиоизлучения и СВЧ-излучения, инфракрасный излучатель обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые по мере вибрации изменяются на концах химической связи на атомном уровне.
3. Видимое световое излучение. По мере того как частота увеличивается в видимый ряд, фотоны имеют достаточную энергию для изменения скрепленной структуры некоторых отдельно взятых молекул.
4. Ультрафиолетовое излучение. Частота увеличивается. В ультрафиолетовых фотонах теперь достаточно энергии (более трех вольт), чтобы воздействовать вдвойне на связи молекул, постоянно химически их перестраивая.
5. Ионизирующее излучение. На самых высоких частотах и наименьших по длине волны. Поглощение этих лучей материей затрагивает весь гамма-спектр. Самый известный эффект – радиация.

Что является источником электромагнитных волн

Мир, согласно молодой теории о происхождении всего, возник благодаря импульсу. Он освободил колоссальную энергию, которую назвали большим взрывом. Так в истории мироздания появилась первая эм-волна.

В настоящее время к источникам формирования возмущений относятся:

• эмв излучает искусственный вибратор;
• результат колебания атомных групп или частей молекул;
• если происходит воздействие на внешнюю оболочку вещества (на атомно-молекулярном уровне);
• эффект схожий со световым;
• при ядерном распаде;
• последствие торможения электронов.

Шкала и применение электромагнитных излучений

Под шкалой излучения понимается большой диапазон частоты волны от 3·10 6 ÷10 -2 до 10 -9 ÷ 10 -14 .

Каждая часть электромагнитного спектра обладает обширной областью применения в нашей повседневной жизни:

1. Волны маленькой длины (микроволны). Данные электроволны используются в качестве спутникового сигнала, поскольку способны миновать атмосферу земли. Также немного усиленный вариант используется для разогрева и готовки на кухне – это микроволновая печь. Принцип приготовления прост – под действием микроволнового излучения поглощаются и ускоряются молекулы воды, отчего блюдо нагревается.
2. Длинные возмущения используется в радиотехнологиях (радиоволны). Их частота не позволяет пройти облака и атмосферу, благодаря чему нам доступно Фм-радио и телевидение.
3. Инфракрасное возмущение непосредственно связано с теплом. Увидеть его практически невозможно. Попробуйте заметить без специального оборудования луч из пульта управления вашего телевизора, музыкального центра или магнитолы в машине. Приборы, способные считывать подобное волны, используются в армиях стран (прибор ночного виденья). Также в индуктивных плитах на кухнях.
4. Ультрафиолет также имеет отношение к теплу. Самый мощный природный «генератор» такого излучения – это солнце. Именно из-за действия ультрафиолета на коже человека образуется загар. В медицине этот тип волн используется для дезинфекции инструментов, убивая микробы и .
5. Гамма-лучи – это самый мощный тип излучения, в котором сконцентрировалось коротковолновое возмущение с большой частотой. Энергия, заключенная в эту часть электромагнитного спектра, дает лучам большую проникающую способность. Применима в ядерной физике – мирное, ядерное оружие – боевое применение.

Влияние электромагнитных волн на здоровье человека

Измерение влияния эмв на человека – это обязанность ученых. Но не нужно быть специалистом, чтобы оценить интенсивность ионизирующего излучения – оно провоцирует изменения на уровне ДНК человека, что влечет за собой такие серьезные заболевания как онкология.

Не зря пагубное воздействие катастрофы ЧАЭС считается одной самых опасных для природы. Несколько квадратных километров некогда красивой территории стали зоной полного отчуждения. До конца века взрыв на ЧАЭС представляет опасность, пока не закончится полураспад радионуклидов.

Некоторые типы эмв (радио, инфракрасные, ультрафиолет) не наносят человеку сильного вреда и представляют собой лишь дискомфорт. Ведь магнитное поле земли нами практически не ощущается, а вот эмв от мобильного телефона может вызвать головную боль (воздействие на нервную систему).

Для того чтобы обезопасить здоровье от электромагнетизма, следует просто использовать меры разумной предосторожности. Вместо сотен часов за компьютерной игрой выйти погулять.

М. Фарадей ввел понятие поля:

вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,

вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.

В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

Рисунок 2.7 - Вихревое электрическое поле

где,
- вектор напряженности электрического поля,
- вектор магнитной индукции.

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.

В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле.

Возникла идея о едином электромагнитном поле.

Рисунок 2.8 - Единое электромагнитное поле.

Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.

Электромагнитное поле - это особая форма материи - совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:

Проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;

Распространяется с большой, но конечной скоростью;

Существует независимо от нашей воли и желаний.

При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.

При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, кото­рая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).

Главное условие возникновения электромагнитной волны - ускоренное движение электрических зарядов.

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380...780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Рисунок 2.9 - Спектр электромагнитных волн

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн - провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Ра́дио (лат. radio - излучаю, испускаю лучи ← radius - луч) - разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Радиоволны (от радио...), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6×10 12 Гц).

Радиоволны - это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м).

λ=300/f, гдеf - частота (МГц)

Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании - радиоволны.

«Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор - устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты - радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10- 11 м.

Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода.

Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (колебания векторов
). Вблизи заряда электрическое и магнитное поля изменяются со сдвигом фаз p/2.

Рисунок 2.10 - Единое электромагнитное поле.

На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно.

Рисунок 2.11 - Синфазное изменение электрического и магнитного полей.

Электромагнитная волна поперечна . Направление скорости электромагнитной волны совпадает с направлением движения правого винта при повороте ручки буравчика вектора к вектору .

Рисунок 2.12 - Электромагнитная волна.

Причем в электромагнитной волне выполняется соотношение
, где с – скорость света в вакууме.

Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.

Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты . Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты.

Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).

Закрытый колебательный контур электромагнитных волн не излучает: вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Частота колебаний определяется параметрами колебательного контура:
.

Рисунок 2.13 - Колебательный контур.

Для увеличения частоты необходимо уменьшить L и C, т.е. развернуть катушку до прямого провода и, т.к.
, уменьшить площадь пластин и развести их на максимальное расстояние. Отсюда видно, что мы получим, по существу, прямой проводник.

Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник.

Рисунок 2.14 - Вибратор Герца.

Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры.

Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3 . 10 8 м/с.

Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света.

Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн.

С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода.

Таким образом, можно определить, что радиоволна - это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц.

Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т . Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т . За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние

λ = υТ (1)

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из (1), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f = 1 / T , то длина волны λ = υ / f .

Радиолиния включает в себя следующие основные части:

Передатчик

Приемник

Среда, в которой распространяются радиоволны.

Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии.

Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).