Электромагнитная волна — это… Что такое Электромагнитная волна?

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны зависит от скорости 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 больше скорости света (принцип максимальности скорости света не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации в любом случае не превышает световой скорости).

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения занимается электродинамика.

Существуют различные теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из них 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 позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.

Некоторые особенности электромагнитных волн c 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.
• Электромагнитные волны — 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.

Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть

микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазоны частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

---

Радиоволны

Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.

Микроволновое излучение

Инфракрасное излучение (Тепловое)

Видимое излучение (Оптическое)

Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см. Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см. Болометрия).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн

оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл рассчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.

В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Электромагнитная безопасность

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 существа

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

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 поддающихся 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.^[1] 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 ^[2][3]

• 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 единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (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 радиация

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Влияние на радиотехнические устройства

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.

См. также

Ссылки

Литература

• Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
• Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5

Примечания

1. ↑ В. Н. Дунаев «Электромагнитные излучения и риск популяционному здоровью при использовании средств сотовой связи» //Гигиена и санитария, № 6, 2007, с. 56—57
2. ↑ ПДУ магнитных полей частот 50 Гц. Харьков, 1986, СН-3206-85.2
3. ↑ Методические указания но гигиенической оценке основных параметров полей частотой 50Гц. Харьков, 1986. СН 3207-85

Wikimedia Foundation. 2010.

Электромагнитные волны — это… Что такое Электромагнитные волны?

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны зависит от скорости 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 больше скорости света (принцип максимальности скорости света не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации в любом случае не превышает световой скорости).

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения занимается электродинамика.

Существуют различные теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из них 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 позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.

Некоторые особенности электромагнитных волн c 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.
• Электромагнитные волны — 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.

Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазоны частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

---

Радиоволны

Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.

Микроволновое излучение

Инфракрасное излучение (Тепловое)

Видимое излучение (Оптическое)

Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см. Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см. Болометрия).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл рассчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.

В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Электромагнитная безопасность

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 существа

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

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 поддающихся 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.^[1] 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 ^[2][3]

• 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 единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (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 радиация

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Влияние на радиотехнические устройства

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.

См. также

Ссылки

Литература

• Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
• Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5

Примечания

1. ↑ В. Н. Дунаев «Электромагнитные излучения и риск популяционному здоровью при использовании средств сотовой связи» //Гигиена и санитария, № 6, 2007, с. 56—57
2. ↑ ПДУ магнитных полей частот 50 Гц. Харьков, 1986, СН-3206-85.2
3. ↑ Методические указания но гигиенической оценке основных параметров полей частотой 50Гц. Харьков, 1986. СН 3207-85

Wikimedia Foundation. 2010.

Электромагнитные волны — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем еще в 1832 году. Дж. Максвелл в 1865 году в результате анализа предложенной им системы уравнений (см. Максвелла уравнения), описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458±1, 2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.В 1888 году теория электромагнитных волн получила экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца. Используя источник высокого напряжения и вибраторы (см. Герца вибратор), Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты по определению скорости распространения электромагнитной волны и ее длины. Экспериментально подтвердилось, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света, что доказывало электромагнитную природу света.В электродинамике электромагнитное поле описывается четырьмя уравнениями Максвелла, благодаря которым существует возможность единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что они представляют собой не излучения различной природы, а электромагнитные волны с различной длиной волны.

В однородной и изотропной среде, свободной от зарядов и токов, уравнения Максвелла приводят к волновым уравнениям, которые показывают, что электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн, скорость которых равна n = 1/v(ee_оmm_о) = с/v(em), где e_о и m_о — электрическая и магнитная постоянные, e и m — электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме эта скорость равна скорости света,

так как e= 1 и m= 1.

В веществе скорость распространения электромагнитных волн всегда меньше, чем в вакууме.

Колебания электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электромагнитного поля для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов удовлетворяют волновым уравнениям:

DЕ = d²Е/v²dt²

DН = d²Н/v²dt²

Всякая функция, удовлетворяющая этим уравнениям, описывает некоторую волну. Следовательно, электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн.

В отличие от статического электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника, электромагнитная волна существует без источника в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле не связано с источником.

Независимо от природы электромагнитные волны обладают общими свойствами. На скорость и характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы.

Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются ее электрические или магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.

В бегущей монохроматической электромагнитной волне плотности энергии электрического и магнитного полей, совершая гармоническое колебание с частотой 2ω, равны друг другу в каждой точке в любой момент времени.

Колебания электрического и магнитного полей происходят во времени в одинаковой фазе, то есть электрическое и магнитное поля одновременно достигают минимумов и максимумов. Напряженности электрического и магнитного полей в свободной электромагнитной волне взаимосвязаны:

v(ee_о)^.Е = v(mm_о)^.Н,

причем эти соотношения связывают как мгновенные, так и амплитудные значения полей.

Электромагнитные волны различных частотных диапазонов характеризуются различными способами возбуждения. Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или соответственно переменное магнитное поле. На расстоянии от источника много большем λ образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические электромагнитные волны. Они поперечные и линейно поляризованы. Монохроматическую и когерентную волну излучает гармонический осциллятор. Ее рассматривают как монохроматическую волну, у которой постоянна частота колебаний. Свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на то, что эти волны поперечные.

В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации. В общем случае концы поляризованной плоской волны описывают эллипсоид, и такая волна называется поляризованной эллиптически. Поляризация электромагнитной волны — очень важное ее свойство. От положения плоскости поляризации по отношению к отражающей поверхности зависит коэффициент отражения волны, степень поглощения волны кристаллами и характер рассеяния неоднородностями. Реальные электромагнитные волны имеют более сложную структуру, и на практике когерентной называют волну, у которой не меняется фаза за время наблюдения того или иного явления.

Характер изменения во времени Е и Н электромагнитной волны определяется законом изменения тока I и зарядов e, ее возбуждающих. Однако ее форма повторяет форму тока только в случае, если электромагнитные волны распространяются в линейной среде, электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н.

Частота колебаний электрического и магнитного полей в электромагнитной волне связана с длиной волны соотношением: l= с/n.

Электромагнитная волна обладает энергией, импульсом, массой, а если она является эллиптически- и циркулярнополяризованной, то обладает еще и моментом импульса.

Электромагнитная волна переносит энергию. Средняя величина энергии плоской поляризованной волны

W> = ee_oA²/2Дж/см³.

Энергия волны Е_в, протекающая через поверхность S, перпендикулярную распространению волны, за время t, равна Е_в = W>cSt.

Величину I =W>cназывают интенсивностью.

Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами, то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Когда волна поглощается, ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает, следовательно, при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Давление электромагнитных волн объясняется том, что под действием электрического поля волны заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля действию сил Лоренца. Однако величина этого давления ничтожно мала. Существование давления электромагнитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс, модуль которого равен энергии, деленной на скорость света. Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым в 1900 году.Появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволило получить значения напряженности электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитной волны в нелинейной среде ее форма изменяется.В зависимости от длины электромагнитных волн существуют различные способы их излучения и регистрации, такие волны по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света независимо от частоты колебаний. Радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение находят свое место в единой шкале электромагнитных волн, причем между соседними диапазонами шкалы нет резкой границы. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики.

Источниками низкочастотных колебаний с частотой n — до 10³ Гц, и длиной волны λ порядка 10³ — 10^-4м, являются генераторы переменного тока; электромагнитные волны такой длины применяются в электротехнике. Диапазон радиоволн простирается от длинных ДВ до ультракоротких УКВ и СВЧ волн. Источниками возбуждения радиоволн с частотой 3^.10⁵ — 3.10¹² Гц и длиной волны λ — 3.10⁵ м, являются генераторы радиочастот, СВЧ-генераторы, массовые излучатели, ламповые генераторы; электромагнитные волны такого диапазона применяются в радиотехнике, телевидении, радиосвязи, радиолокации. Для радиоволны простейшим излучателем является электрический диполь — отрезок проводника, по которому протекает переменный ток. Такой диполь называется антенной.

Источником возбуждения инфракрасного излучения частотой порядка 10¹² Гц и длинами волн порядка 3^.10^-3 м, является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Источником возбуждения ультрафиолетового излучения с частотой порядка 7, 5^.10¹⁴ Гц, а также мягкого рентгеновского излучения, используемого в медицине, является излучение атомов при воздействии на них ускоренных электронов. Для возбуждения волн оптического и рентгеновского диапазонов характерны процессы, происходящие внутри атомов вещества, а для γ-лучей — внутриядерные процессы. Процессы в атомах при воздействии на них ускоренных заряженных частиц сопровождаются гамма-излучением.Еще более коротковолновое излучение возникает при торможении быстро заряженных частиц в веществе. Переход атомного ядра из одного состояния в другое или, например, аннигиляция частиц приводят к испусканию γ-излучения — электромагнитных волн с наиболее высокими частотами колебаний. Жесткое гамма-излучение сопровождает ядерные процессы и радиоактивный распад.Электромагнитному излучению присущи черты дискретности. По мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам) волновые свойства электромагнитных волн (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых определяющую роль играет энергия hn, проявляются сильнее. На высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне, и тем более в диапазонах рентгеновских и гамма-лучей, излучение и поглощение электромагнитных волн может быть описано только на основе представлений о дискретности этих процессов.Во многих случаях электромагнитное излучение ведет себя не как набор монохроматических электромагнитных волн с определенной частотой, а как поток квазичастиц — фотонов. В первую очередь это относится к электромагнитному излучению высокой частоты. А. Эйнштейн обобщил идею М. Планка о дискретности излучения, предположив, что такая дискретность не связана с каким-то особым механизмом взаимодействия излучения с веществом, а внутренне присуща самому электромагнитному излучению, которое представляет собой кванты — фотоны. Эти представления получили экспериментальное подтверждение — на их основе были объяснены закономерности фотоэффекта и эффекта Комптона. Но наряду с корпускулярными свойствами фотон обладает и волновыми свойствами. Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в представление об электромагнитных волнах. Рентгеновское излучение, гамма-излучение обычно рассматриваются как поток квантов- корпускул с энергией ђ, где ђ — постоянная Планка.Законы излучения атомов и молекул также объясняет квантовая теория излучения. На ее основе построены когерентные излучатели микроволн и световых волн — мазеры и лазеры.

Шкала электромагнитных волн (низкочастотные излучения и радиоволны вплоть до инфракрасного излучения). Общие свойства волн

Тема нашего урока: «Шкала электромагнитных волн и свойства электромагнитных волн». Мы подведем итог тем вопросам, которые мы рассматривали на предыдущих уроках. В первую очередь мы с вами изучили вопросы создания электромагнитных волн, их излучение и их использование. Сегодня мы рассмотрим свойства, на которых основано применение электромагнитных волн, и обсудим это

Электромагнитная волна обладает всеми характеристиками волн, то есть длина волны и частота. Для обычных механических волн существует взаимосвязь между скоростью волны, длиной волны и частотой. Такая же связь наблюдается и у электромагнитных волн. Рассмотрим уравнение для механической волны:

υ = λ · ν

Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. Для электромагнитных волн скорость распространения – величина постоянная и равная c = 3·10⁸ м/с, то есть

c = λ · ν

Для электромагнитных волн произведение длины волны и частоты всегда остается величиной постоянной.

          

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн (Источник)

Возьмем шкалу (рис. 1) и отметим на ней частоту, по направлению шкалы происходит возрастание частоты, вторая шкала соответствует длине волны, и на ней мы видим

уменьшение длины волны. Для одной и той же электромагнитной волны произведение частоты на длину волны всегда будет оставаться величиной постоянной.

λ₁ · ν₁ = С

λ₂ · ν₂  = С

Для всех электромагнитных волн скорость будет оставаться постоянной: 3·10⁸ м/с.

Такое распределение позволяет создать шкалу, по которой мы можем разложить все электромагнитные колебания по их частоте или длине волны и обсудить их свойства. По такой шкале очень удобно обсуждать вопрос происхождения электромагнитных волн, то есть как эти электромагнитные волны появляются и, соответственно, что является источником этих электромагнитных волн.

Электромагнитную шкалу можно разделить на две части: низкочастотные колебания и радиоволны. К низкочастотным колебаниям относятся те, которые производятся при помощи генератора, самым ярким представителем является переменный ток, и, соответственно, эти колебания распространяются в основном по проводам, а те электромагнитные волны, которые создаются такими колебаниями, на большие расстояния не распространяются, они очень быстро поглощаются окружающей средой.

Вторая часть – радиоволны – может быть разделена на большое количество поддиапазонов.

Это, в первую очередь, длинные волны, средние, короткие и ультракороткие волны. Каждый из этих диапазонов используется по своему назначению. Например, длинные волны очень хорошо поглощаются окружающей средой, ионосферой и поверхностью Земли, и поэтому на большие расстояния они распространяться не могут. При мощных передатчиках длинные волны используют для радиовещания. Для вещания на весь мир используются короткие волны, в результате многократного отражения они отражаются от земной поверхности и ионосферы и распространяются по всему земному шару. Ультракороткие волны распространяются в пределах прямой видимости, они достаточно плохо отражаются, но хорошо преломляются и используются для связи с космическими аппаратами или для телевидения.

Источниками для распространения радиоволн являются генераторы высокой частоты, колебательный контур Томпсона, открытый колебательный контур Герца и другие излучатели высокочастотных электромагнитных колебаний волн. Данные для электромагнитной шкалы сведены в схему, изображенную на рисунке 2.

 

Рис. 2. Данные электромагнитной шкалы (Источник)

Длина волны располагается по уменьшению, а частота по нарастанию.

Все электромагнитные волны похожи друг на друга, все они порождаются ускоренно движущимся электрическим зарядом и обнаруживаются по действию на другой электрический заряд. Проявление свойств может быть различным, в зависимости от длины волны или от частоты волны ведут себя по-разному. Вектор магнитной индукции и вектор напряженности вихревого электрического поля взаимно перпендикулярны, но, кроме этого, плоскость, где располагается вектор индукции и вектор напряженности, соответственно перпендикулярна вектору, вдоль которого направлена скорость распространения электромагнитной волны. Все это объединяет электромагнитные волны. Но в результате зависимости от длины волны или частоты проявляются следующие особенности: поглощение волн окружающей средой будет различным. Одни волны поглощаются достаточно хорошо, другие, наоборот, преобладают над поглощением-отражением, поэтому длинные волны не могут распространяться на большие расстояния, а короткие достаточно хорошо это делают. С другой стороны, волны могут существовать в одном пространстве от разных источников, никак при этом не мешая друг другу. Волны могут от одного и того же источника складываться друг с другом и, соответственно, огибать препятствия. Эти возможности называются интерференция и дифракция волн, то есть сложение волн и огибание препятствий, которые приводят к определенному результату.  Радиолокация, например, связана с ультракороткими волнами, потому что она эффективна в том случае, когда размеры объекта много больше, чем длина волны.

Общие свойства и характеристики электромагнитных волн

Таблица состоит из двух столбцов, в левом размещены свойства, а в правом – характеристики. Свойства расположены в соответствии характеристикам.

Шкала электромагнитных волн не ограничивается только радиоволнами, она может продолжаться и дальше, существуют другие излучения, которые также соответствуют электромагнитным волнам. Эти вопросы мы рассмотрим в дальнейшем.

 

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. – М.: Просвещение, 1990.

 

Домашнее задание

1. Какая связь между характеристиками электромагнитных волн?
2. На какие части подразделяется шкала электромагнитных волн?
3. Особенности электромагнитных волн?

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Bourabai.kz (Источник).
2. Интернет-портал 900igr.net (Источник).
3. Интернет-портал Do.gendocs.ru (Источник).

Шкала электромагнитных волн — это… Что такое Шкала электромагнитных волн?

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны зависит от скорости 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 больше скорости света (принцип максимальности скорости света не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации в любом случае не превышает световой скорости).

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения занимается электродинамика.

Существуют различные теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из них 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 позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.

Некоторые особенности электромагнитных волн c 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.
• Электромагнитные волны — 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.

Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазоны частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

---

Радиоволны

Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.

Микроволновое излучение

Инфракрасное излучение (Тепловое)

Видимое излучение (Оптическое)

Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см. Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см. Болометрия).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл рассчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.

В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Электромагнитная безопасность

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 существа

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

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 поддающихся 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.^[1] 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 ^[2][3]

• 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 единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (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 радиация

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Влияние на радиотехнические устройства

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.

См. также

Ссылки

Литература

• Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
• Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5

Примечания

1. ↑ В. Н. Дунаев «Электромагнитные излучения и риск популяционному здоровью при использовании средств сотовой связи» //Гигиена и санитария, № 6, 2007, с. 56—57
2. ↑ ПДУ магнитных полей частот 50 Гц. Харьков, 1986, СН-3206-85.2
3. ↑ Методические указания но гигиенической оценке основных параметров полей частотой 50Гц. Харьков, 1986. СН 3207-85

Wikimedia Foundation. 2010.

На какие виды делятся электромагнитные волны

Электромагнитное излучение представлено одноименными волнами, которые приводятся в возбуждение под воздействием различных объектов излучения в виде молекулярных, атомных и заряженных частиц.

Существует несколько его разновидностей:

• Видимый свет . Это излучение, способное восприниматься человеческим зрением. Волновая длина достаточно короткая и варьируется в пределах 380-780 нанометров.
• Инфракрасное . Представляет собой что-то среднее между световым излучением и волнами радио.
• Радиоволны . Отличаются наибольшей длиной и вмещают в себя все разновидности излучения, волны которых характеризуются длиной от полумиллиметра.
• Ультрафиолетовое . Излучение, приносящее вред живому организму.
• Рентгеновское . Производится электронными частицами и нашло широкое применение в медицине.
• Гамма-излучение . Имеет самую короткую длину волн, представляя высокий уровень опасности для человеческого организма.

Устройство

Характеристику любой электромагнитной волны составляют три основных параметра:

1. Частота . Выражает количество гребней волны, проходящих в течение одной секунды. Мера измерения -герцы.
2. Поляризация . Описывает колебания электромагнитных волн в поперечном направлении. Поляризованным излучение становится при волновых колебаниях, происходящих в одной плоскости. На практике данное явление можно встретить в кинотеатрах на сеансах 3Д. Посредством поляризации в 3Д-очках происходит разделение картинки.
3. Длина . Представляет собой расстояние, соединяющее точки электромагнитного излучения, которые колеблются в пределах одной фазы.

Распространение электромагнитного излучения возможно в любой среде, начиная плотным веществом и заканчивая вакуумом. При этом скорость распространения волны в вакуумном пространстве достигает 300 тысяч км в секунду. К примеру звуковые волны, в вакууме не распространяются.

Принцип действия

Электромагнитное излучение имеет энергию, основной характеристикой которой является ее напряженность. Существует постоянное и переменное поле электромагнитных волн.

Первое — характеризуется напряженностью, которая обуславливается силой, оказывающей каталитическое действие на токовый проводник. В качестве единицы напряжения выступает ампер. Переменная разновидность совмещает в себе магнитную и электрическую разновидности магнитных полей, которые расширяются в пространстве в виде волн.

Область распространения включает в себя три зоны:

• Ближнюю – индукционную.
• Промежуточную – интерференционную.
• Дальнюю — волновую.

Свойства

Известно, что для электромагнитных волн характерны определенные свойства, о которых впервые заговорил Максвелл. Эти свойства обуславливаются различиями и зависимостью от параметра длины. Именно в соответствии с этими параметрами волны электромагнитных полей подразделяются на диапазоны, которые, в свою очередь, имеют достаточно условную шкалу, поскольку расположенные рядом частоты накладывают свои свойства друг на друга.

К таковым — относятся:

• Высокая проникающая способность.
• Быстрая скорость растворения в веществе.
• Негативное и благотворное влияние на человека.

Применение и влияние

Свое широкое применение электромагнитное излучение получило только в конце 19-го века, когда активно развивалась радиосвязь, посредством которой стало возможно общение на далеком расстоянии.

В качестве главных электромагнитных источников выступают крупные объекты промышленного масштаба, а также различные электрические линии передач. Помимо этого, рассматриваемый вид излучения получил активное применение в военной сфере. Там они представлены радарами и другими электрическими приборами, имеющих сложное устройство.

В медицинской области для лечения разнообразных болезней применяется инфракрасное излучение. Кроме этого:

• Посредством рентгеновского обследования становится возможным выявление внутренних повреждений в человеческом организме.
• Лазер позволяет проводить операции, которые требуют ювелирной точности и т.п.

Однако, несмотря на перечисленную выше пользу, электромагнитное излучение может спровоцировать возникновение ряда негативных признаков:

• Повышенную усталость.
• Боли в голове.
• Тошнотные позывы и т.п.

Повышенное воздействие определенных видов электромагнитных волн способно привести к повреждениям органов, расположенных внутри, и мозговой центральной нервной системы, что впоследствии чревато психическими расстройствами.

Во избежание столь отрицательных влияний существуют определенные стандарты, которые регулируют безопасность электромагнитного воздействия. Так, для каждого из видов электромагнитного излучения разработаны конкретные документы регулирующего характера в виде гигиенических норм и радиационных стандартов.

Электромагнитное излучение влияет на человеческий организм и остается до конца неизученным, по причине чего рекомендуется свести к минимуму его воздействие.

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.

Многолетнее воздействие способно привести к:

• Серьезным сбоям в гормональной системе.
• Злокачественным заболеваниям.
• Болезням крови и т.п.

Особенности

Простым обывателям может быть непонятна схожесть между разными, на первый взгляд, объектами электромагнитного излучения, к примеру:

• Трубка рентгена.
• Печка, от которой исходит тепло.
• Фотопленка.
• Радиоприемник.
• Антенна телевизора.

Первые объекты — электромагнитные источники, вторые — представлены приемниками. Также отличается и влияние определенных видов излучения на живой организм, к примеру:

• Рентген и излучение гамма-частицами провоцируют повреждение тканевых структур и внутренних органов.
• Видимый свет при определенных условиях может негативно повлиять на зрение.
• Инфракрасные лучи могут оказывать чрезмерный нагрев на организм.
• При этом радиоволны практически никак не ощущаются.

Однако перечисленные выше отличия выступают различными аспектами одного явления. Электромагнитное излучение обладает волнами, которые имеют схожую распространительную скорость в пространстве. При этом количество колебаний в течение временной единицы может измеряться в широких диапазонных значениях. Окружающее нас пространство насыщено электромагнитным излучением, которое связано не только с радиоволнами, но и с окружающими телами.

Существование электромагнитных волн переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с ко­нечной скоростью,— вытекает из уравне­ний Максвелла (см. §139). Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указывалось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыг­рали опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля дей­ствительно распространяются в виде волн, поведение которых полностью описывает­ся уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбужде­ния электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное элек­трическое поле (ток смещения) или со­ответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источни­ка определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором пере­менное электромагнитное поле создается.

Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конден­сатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин кон­денсатора, а также раздвигая их (рис. 225, а, б), совершил переход от за­крытого колебательного контура к откры­тому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стер­жня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебатель­ном контуре переменное электрическое по­ле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225, а), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 225, в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излуче­ния. Колебания в такой системе поддер­живаются за счет источника э.д.с., под­ключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциа­лов, до которой первоначально заряжают­ся обкладки.

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор ГерцаВ подключался к ин­дуктору И (рис.226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало про­бивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры кон­тур размыкался и колебания прекраща­лись. Затем индуктор снова заряжал кон­денсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называе­мым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и из­лучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электро­магнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электриче­ская искра.

Виды электромагнитных волн. Электромагнитные волны, обладая ши­роким диапазоном частот (или длин волн =c/v, где с — скорость электромагнит­ных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и ре­гистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различными видами электромаг­нитных волн довольно условны.

§ Энергия электромагнитных волн. Возможность обнаружения электромаг­нитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей w_эл (см. (95.8)) и w_м (см. (130.3)) электриче­ского и магнитного полей:

Учитывая выражение (162.4), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент вре­мени одинакова, т. е. w_эл = w_м. Поэтому

Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде (см. (162.3)), получим модуль плотности потока энергии:

Так как векторы Е и Н взаимно пер­пендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую

систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энер­гии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнит­ной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга:

Вектор S направлен в сторону рас­пространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу вре­мени через единичную площадку, перпен­дикулярную направлению распростране­ния волны.

Если электромагнитные волны погло­щаются или отражаются телами (эти яв­ления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что элек­тромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромаг­нитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны за­ряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны дейст­вию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излуче­ния, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности со­ставляет примерно 5 мкПа. В исключи­тельно тонких экспериментах, ставших классическими, П. Н. Лебедев в 1899 г. до­казал существование светового давления на твердые тела, а в 1910г.— на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Мак­свелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Существование давления электромаг­нитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механи­ческий импульс. Импульс электромагнит­ного поля

где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р=mc (поле в ва­кууме распространяется со скоростью с), получим p = mc=W/c, откуда

Это соотношение между массой и энергией свободного электромагнитного поля явля­ется универсальным законом природы (см. также §40). Согласно специальной теории относительности, выражение (163.1) имеет общее значение и справед­ливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.

Таким образом, рассмотренные свойст­ва электромагнитных волн, определяемые теорией Максвелла, полностью подтвер­ждаются опытами Герца, Лебедева и вы­водами специальной теории относительно­сти, сыгравшими решающую роль для подтверждения и быстрого признания этой теории.

Скорость электромагнитных волн Как уже указывалось (см. §161), одним из важнейших следствий уравнений Мак­свелла (см. § 139) является существова­ние электромагнитных волн. Можно по­казать, что для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создаю­щих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электро­магнитного поля удовлетворяют волново­му уравнению типа (154.9):

— оператор Лапласа, v — фазовая ско­рость.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некоторую волну. Следовательно, электро­магнитные поля действительно могут су­ществовать в виде электромагнитных волн. Фазовая скорость электромагнитных волн определяется выражением

электрическая и магнитная постоянные, и  — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме (при =1 и =1) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как > 1, то скорость распространения электро­магнитных волн в веществе всегда мень­ше, чем в вакууме.

При вычислении скорости распростра­нения электромагнитного поля по формуле (162.3) получается результат, достаточно хорошо совпадающий с эксперименталь­ными данными, если учитывать зависи­мость  и , от частоты. Совпадение же размерного коэффициента в (162.3) со скоростью распространения света в вакуу­ме указывает на глубокую связь между электромагнитными и оптическими явле­ниями, позволившую Максвеллу создать электромагнитную теорию света, согласно которой свет представляет собой электро­магнитные волны.

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.

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 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 3х10^16 Гц.

5. Рентгеновские лучи. частота волны 6х10^19 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.

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:

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.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, – заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.

Может показаться удивительным, что внешне столь разные физические явления имеют общую основу. В самом деле, что общего между кусочком радиоактивного вещества, рентгеновской трубкой, ртутной газоразрядной лампой, лампочкой фонарика, теплой печкой, радиовещательной станцией и генератором переменного тока, подключенным к линии электропередачи? Как, впрочем, и между фотопленкой, глазом, термопарой, телевизионной антенной и радиоприемником. Тем не менее, первый список состоит из источников, а второй – из приемников электромагнитного излучения. Воздействия разных видов излучения на организм человека тоже различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений – в сущности разные стороны одного явления.

Взаимодействие между источником и приемником формально состоит в том, что при всяком изменении в источнике, например при его включении, наблюдается некое изменение в приемнике. Это изменение происходит не сразу, а спустя некоторое время, и количественно согласуется с представлением о том, что нечто перемещается от источника к приемнику с очень большой скоростью. Сложная математическая теория и огромное число разнообразных экспериментальных данных показывают, что электромагнитное взаимодействие между источником и приемником, разделенными вакуумом или разреженным газом, может быть представлено в виде волн, распространяющихся от источника к приемнику со скоростью света с.

Скорость распространения в свободном пространстве одинакова для всех типов электромагнитных волн от гамма-лучей до волн низкочастотного диапазона. Но число колебаний в единицу времени (т.е. частота f) меняется в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду для электромагнитных волн низкочастотного диапазона до 10²⁰ колебаний в секунду в случае рентгеновского и гамма-излучений. Поскольку длина волны (т.е. расстояние между соседними горбами волны; рис. 1) дается выражением l = с/f, она тоже изменяется в широких пределах – от нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний до 10^–14 м для рентгеновского и гамма-излучений. Именно поэтому взаимодействие электромагнитных волн с веществом столь различно в разных частях их спектра. И все же все эти волны родственны между собой, как родственны водяная рябь, волны на поверхности пруда и штормовые океанские волны, тоже по-разному воздействующие на объекты, встречающиеся на их пути. Электромагнитные волны существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику через вакуум или межзвездное пространство. Например, рентгеновские лучи, возникающие в вакуумной трубке, воздействуют на фотопленку, расположенную вдали от нее, тогда как звук колокольчика, находящегося под колпаком, услышать невозможно, если откачать воздух из-под колпака. Глаз воспринимает идущие от Солнца лучи видимого света, а расположенная на Земле антенна – радиосигналы удаленного на миллионы километров космического аппарата. Таким образом, никакой материальной среды, вроде воды или воздуха, для распространения электромагнитных волн не требуется.

Источники электромагнитного излучения.

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. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Системы такого типа генерируют излучение в диапазоне от миллиметровых до самых длинных волн (в линиях электропередачи).

Гамма-лучи испускаются самопроизвольно при распаде ядер атомов радиоактивных веществ, например радия. При этом происходят сложные процессы изменения структуры ядра, связанные с движением зарядов. Генерируемая частота f определяется разностью энергий E₁ и E₂ двух состояний ядра: f = (E₁ – E₂)/h, где h – постоянная Планка. См. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.

Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода (антикатода) электронами, обладающими большими скоростями. Быстро замедляясь в материале анода, эти электроны испускают так называемое тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр, а происходящая в результате электронной бомбардировки перестройка внутренней структуры атомов анода, в результате которой атомные электроны переходят в состояние с меньшей энергией, сопровождается испусканием так называемого характеристического излучения, частоты которого определяются материалом анода.

Такие же электронные переходы в атоме дают ультрафиолетовое и видимое световое излучение. Что же касается инфракрасного излучения, то оно обычно является результатом изменений, мало затрагивающих электронную структуру и связанных преимущественно с изменениями амплитуды колебаний и вращательного момента импульса молекулы.

В генераторах электрических колебаний имеется «колебательный контур» того или иного типа, в котором электроны совершают вынужденные колебания с частотой, зависящей от его конструкции и размеров. Наиболее высокие частоты, соответствующие миллиметровым и сантиметровым волнам, генерируются клистронами и магнетронами – электровакуумными приборами с металлическими объемными резонаторами, колебания в которых возбуждаются токами электронов. В генераторах более низких частот колебательный контур состоит из катушки индуктивности (индуктивность L) и конденсатора (емкость C) и возбуждается ламповой или транзисторной схемой. Собственная частота такого контура, которая при малом затухании близка к резонансной, дается выражением .

Переменные поля очень низких частот, используемые для передачи электрической энергии, создаются электромашинными генераторами тока, в которых роторы, несущие проволочные обмотки, вращаются между полюсами магнитов.

Теория Максвелла, эфир и электромагнитное взаимодействие.

Когда океанский лайнер в тихую погоду проходит на некотором расстоянии от рыбацкой лодки, то спустя какое-то время лодка начинает сильно раскачиваться на волнах. Причина этого всем понятна: от носа лайнера по поверхности воды бежит волна в виде последовательности горбов и впадин, которая и достигает рыбацкой лодки.

Когда при помощи специального генератора в установленной на искусственном спутнике Земли и направленной на Землю антенне возбуждаются колебания электрического заряда, в приемной антенне на Земле (также через некоторое время) возбуждается электрический ток. Как же передается взаимодействие от источника к приемнику, если между ними отсутствует материальная среда? И если сигнал, поступающий на приемник, можно представить в виде некоторой падающей волны, то что это за волна, которая способна распространяться в вакууме, и как могут возникать горбы и впадины там, где ничего нет?

Над этими вопросами в применении к видимому свету, распространяющемуся от Солнца к глазу наблюдателя, ученые задумывались уже давно. На протяжении большей части 19 в. такие физики, как О.Френель, И.Фраунгофер, Ф.Нейман, пытались найти ответ в том, что пространство на самом деле не пусто, а заполнено некой средой («светоносным эфиром»), наделенной свойствами упругого твердого тела. Хотя такая гипотеза и помогла объяснить некоторые явления в вакууме, она привела к непреодолимым трудностям в задаче о прохождении света через границу двух сред, например воздуха и стекла. Это побудило ирландского физика Дж.Мак-Куллага отбросить идею упругого эфира. В 1839 он предложил новую теорию, в которой постулировалось существование среды, по своим свойствам отличной от всех известных материалов. Такая среда не оказывает сопротивления сжатию и сдвигу, но сопротивляется вращению. Из-за этих странных свойств модель эфира Мак-Куллага вначале на вызвала особого интереса. Однако в 1847 Кельвин продемонстрировал наличие аналогии между электрическими явлениями и механической упругостью. Исходя из этого, а также из представлений М.Фарадея о силовых линиях электрического и магнитного полей, Дж.Максвелл предложил теорию электрических явлений, которая, по его словам, «отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям в некой всепроникающей среде, причем эти напряжения такие же, с какими имеют дело инженеры, а среда и есть именно та среда, в которой, как предполагают, распространяется свет». В 1864 Максвелл сформулировал систему уравнений, охватывающую все электромагнитные явления. Примечательно, что его теория во многом напоминала теорию, предложенную за четверть века до этого Мак-Куллагом. Уравнения Максвелла были столь всеохватывающими, что из них выводились законы Кулона, Ампера, электромагнитной индукции и следовал вывод о совпадении скорости распространения электромагнитных явлений со скоростью света.

После того как уравнениям Максвелла была придана более простая форма (заслуга в основном О.Хевисайда и Г.Герца), полевые уравнения стали ядром электромагнитной теории. Хотя эти уравнения сами по себе и не требовали максвелловской интерпретации на основе представлений о напряжениях и давлениях в эфире, такая интерпретация повсеместно была принята. Несомненный успех уравнений в предсказании и объяснении различных электромагнитных явлений был воспринят как подтверждение справедливости не только уравнений, но и механистической модели, на основе которой они были выведены и истолкованы, хотя эта модель была совершенно не существенна для математической теории. Фарадеевские силовые линии поля и трубки тока наряду с деформациями и смещениями стали существенными атрибутами эфира. Энергия рассматривалась как запасенная в напряженной среде, а ее поток Г.Пойнтинг в 1884 представил вектором, носящим теперь его имя. В 1887 Герц экспериментально продемонстрировал существование электромагнитных волн. В серии блестящих экспериментов он измерил скорость их распространения, а также показал, что они могут отражаться, преломляться и поляризоваться. В 1896 Г.Маркони получил патент на радиосвязь.

В континентальной Европе независимо от Максвелла развивалась теория дальнодействия – совершенно другой подход к проблеме электромагнитного взаимодействия. Максвелл писал по этому поводу: «Согласно теории электричества, которая делает большие успехи в Германии, две заряженные частицы непосредственно действуют друг на друга на расстоянии с силой, которая, по Веберу, зависит от их относительной скорости и действует, согласно теории, основанной на идеях Гаусса и развитой Риманом, Лоренцом и Нейманом, не мгновенно, а спустя некоторое время, зависящее от расстояния. По достоинству оценить мощь этой теории, которая столь выдающимся людям объясняет любой вид электрических явлений, можно, лишь изучив ее». Теорию, о которой говорил Максвелл, наиболее полно развил датский физик Л.Лоренц с помощью скалярного и векторного запаздывающих потенциалов, почти таких же, как и в современной теории. Максвелл отвергал идею запаздывающего действия на расстоянии, будь то потенциалы или силы. «Эти физические гипотезы совершенно чужды моим представлениям о природе вещей», – писал он. Тем не менее, теория Римана и Лоренца в математическом отношении была идентична его теории, и в конце концов он согласился, что в пользу теории дальнодействия свидетельствуют более убедительные доказательства. В своем Трактате об электричестве и магнетизме (Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) он писал: «Не следует упускать из виду, что мы сделали всего лишь один шаг в теории действия среды. Мы высказали предположение, что она находится в состоянии напряжения, но совершенно не объяснили, что это за напряжение и как оно поддерживается».

В 1895 голландский физик Х.Лоренц объединил ранние ограниченные теории взаимодействия между неподвижными зарядами и токами, которые предвосхищали теорию запаздывающих потенциалов Л.Лоренца и были созданы в основном Вебером, с общей теорией Максвелла. Х.Лоренц рассматривал материю как содержащую электрические заряды, которые, различными способами взаимодействуя между собой, производят все известные электромагнитные явления. Вместо того чтобы принять концепцию запаздывающего действия на расстоянии, описываемого запаздывающими потенциалами Римана и Л.Лоренца, он исходил из предположения, что движение зарядов создает электромагнитное поле, способное распространяться сквозь эфир и переносить импульс и энергию от одной системы зарядов к другой. Но необходимо ли для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитной волны существование такой среды, как эфир? Многочисленные эксперименты, призванные подтвердить существование эфира, в том числе и эксперимент по «увлечению эфира», дали отрицательный результат. Более того, гипотеза о существовании эфира оказалась в противоречии с теорией относительности и с положением о постоянстве скорости света. Вывод можно проиллюстрировать словами А.Эйнштейна: «Если эфиру не свойственно никакое конкретное состояние движения, то вряд ли имеет смысл вводить его как некую сущность особого рода наряду с пространством».

Излучение и распространение электромагнитных волн.

Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала. Когда речь идет о неограниченном пространстве, эти условия дополняются особым граничным условием – условием излучения. Последнее гарантирует «правильное» поведение поля на бесконечности.

Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля E и вектором магнитной индукции B, каждый из которых в любой точке пространства имеет определенную величину и направление. На рис. 2 схематически изображена электромагнитная волна с векторами E и B, распространяющаяся в положительном направлении оси х. Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку переходят друг в друга при преобразованиях Лоренца. Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то говорят, что поле имеет круговую поляризацию; если же длина вектора периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.

Соотношение между электромагнитным полем и колеблющимися токами и зарядами, поддерживающими это поле, можно проиллюстрировать на относительно простом, но очень наглядном примере антенны типа полуволнового симметричного вибратора (рис. 3). Если тонкую проволоку, длина которой составляет половину длины волны излучения, разрезать посередине и к разрезу подключить высокочастотный генератор, то приложенное переменное напряжение будет поддерживать примерно синусоидальное распределение тока в вибраторе. В момент времени t = 0, когда амплитуда тока достигает максимального значения, а вектор скорости положительных зарядов направлен вверх (отрицательных – вниз), в любой точке антенны заряд, приходящийся на единицу ее длины, равен нулю. По прошествии первой четверти периода (t = T/4) положительные заряды будут сосредоточены на верхней половине антенны, а отрицательные – на нижней. При этом ток равен нулю (рис. 3,б). В момент t = T/2 заряд, приходящийся на единицу длины, равен нулю, а вектор скорости положительных зарядов направлен вниз (рис. 3,в). Затем к концу третьей четверти заряды перераспределяются (рис. 3,г), а по ее завершении заканчивается полный период колебаний (t = T) и все снова выглядит так, как на рис. 3,а.

Чтобы сигнал (например, меняющийся во времени ток, приводящий в действие громкоговоритель радиоприемника) можно было передать на расстояние, излучение передатчика нужно промодулировать путем, например, изменения амплитуды тока в передающей антенне в соответствии с сигналом, что повлечет за собой модуляцию амплитуды колебаний электромагнитного поля (рис. 4).

Передающая антенна является той частью передатчика, где электрические заряды и токи совершают колебания, излучая в окружающее пространство электромагнитное поле. Антенна может иметь самые разнообразные конфигурации, в зависимости от того, какую форму электромагнитного поля необходимо получить. Она может быть одиночным симметричным вибратором или же системой симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и обеспечивающих необходимое соотношение между амплитудами и фазами токов. Антенна может представлять собой симметричный вибратор, расположенный перед сравнительно большой плоской или изогнутой металлической поверхностью, играющей роль отражателя. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн особенно эффективна антенна в форме рупора, соединенного с металлической трубой-волноводом, который играет роль линии передачи. Токи в короткой антенне на входе волновода индуцируют переменные токи на его внутренней поверхности. Эти токи и связанное с ними электромагнитное поле распространяются по волноводу к рупору. См. также АНТЕННА.

Меняя конструкцию антенны и ее геометрию, можно добиться такого соотношения амплитуд и фаз колебаний токов в различных ее частях, чтобы излучение усиливалось в одних направлениях и ослаблялось в других (антенны направленного действия).

На больших расстояниях от антенны любого типа электромагнитное поле имеет довольно простой вид: в любой данной точке векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В колеблются в фазе во взаимно перпендикулярных плоскостях, убывая обратно пропорционально расстоянию от источника. При этом волновой фронт имеет форму увеличивающейся в размерах сферы, а вектор потока энергии (вектор Пойнтинга) направлен вовне по ее радиусам. Интеграл от вектора Пойнтинга по всей сфере дает полную, усредненную по времени, излучаемую энергию. При этом волны, распространяющиеся в радиальном направлении со скоростью света, переносят от источника не только колебания векторов E и B, но также импульс поля и его энергию.

Прием электромагнитных волн и явление рассеяния.

Если в зоне электромагнитного поля, распространяющегося от удаленного источника, поместить проводящий цилиндр, то индуцированные в нем токи будут пропорциональны напряженности электромагнитного поля и, кроме того, будут зависеть от ориентации цилиндра относительно фронта падающей волны и от направления вектора напряженности электрического поля. Если цилиндр имеет вид проволоки, диаметр которой мал по сравнению с длиной волны, то индуцированный ток будет максимальным, когда проволока параллельна вектору Е падающей волны. Если проволоку разрезать посередине и к образовавшимся выводам присоединить нагрузку, то к ней будет подводиться энергия, как это и имеет место в случае радиоприемника. Токи в этой проволоке ведут себя так же, как и переменные токи в передающей антенне, а потому она тоже излучает поле в окружающее пространство (т.е. происходит рассеяние падающей волны).

Отражение и преломление электромагнитных волн.

Передающую антенну обычно устанавливают высоко над поверхностью земли. Если антенна находится в сухой песчаной или скалистой местности, то грунт ведет себя как изолятор (диэлектрик), и токи, индуцируемые в нем антенной, связаны с внутриатомными колебаниями, поскольку здесь нет свободных носителей заряда, как в проводниках и ионизованных газах. Эти микроскопические колебания создают над поверхностью земли поле отраженной от земной поверхности электромагнитной волны и, кроме того, изменяют направление распространения волны, входящей в грунт. Эта волна движется с меньшей скоростью и под меньшим углом к нормали, чем падающая. Такое явление называется преломлением. Если же волна падает на участок поверхности земли, имеющий, наряду с диэлектрическими, также и проводящие свойства, то общая картина для преломленной волны выглядит намного сложнее. Как и прежде, волна меняет направление движения у границы раздела, но теперь поле в грунте распространяется таким образом, что поверхности равных фаз уже не совпадают с поверхностями равных амплитуд, как это обычно имеет место в случае плоской волны. Кроме того, быстро затухает амплитуда волновых колебаний, поскольку электроны проводимости при столкновениях отдают свою энергию атомам. В результате энергия волновых колебаний переходит в энергию хаотического теплового движения и рассеивается. Поэтому там, где грунт проводит электричество, волны не могут проникнуть в него на большую глубину. То же самое относится и к морской воде, чем затрудняется радиосвязь с подводными лодками.

В верхних слоях земной атмосферы располагается слой ионизованного газа, который называется ионосферой. Он состоит из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Под действием посылаемых с земли электромагнитных волн заряженные частицы ионосферы начинают колебаться и излучать собственное электромагнитное поле. Заряженные ионосферные частицы взаимодействуют с посланной волной примерно так же, как и частицы диэлектрика в рассмотренном выше случае. Однако электроны ионосферы не связаны с атомами, как в диэлектрике. Они реагируют на электрическое поле посланной волны не мгновенно, а с некоторым сдвигом по фазе. В результате волна в ионосфере распространяется не под меньшим, как в диэлектрике, а под бóльшим углом к нормали, чем посланная с земли падающая волна, причем фазовая скорость волны в ионосфере оказывается больше скорости света c. Когда волна падает под некоторым критическим углом, угол между преломленным лучом и нормалью становится близок к прямому, а при дальнейшем увеличении угла падения излучение отражается в сторону Земли. Очевидно, что в этом случае электроны ионосферы создают поле, которым компенсируется поле преломленной волны в вертикальном направлении, а ионосфера действует как зеркало.

Энергия и импульс излучения.

В современной физике выбор между теорией электромагнитного поля Максвелла и теорией запаздывающего дальнодействия делается в пользу теории Максвелла. До тех пор, пока нас интересует только взаимодействие источника и приемника, обе теории одинаково хороши. Однако теория дальнодействия не дает никакого ответа на вопрос, где находится энергия, которую уже излучил источник, но еще не принял приемник. Согласно теории Максвелла, источник передает энергию электромагнитной волне, в которой она и находится, пока не будет передана поглотившему волну приемнику. При этом на каждом этапе соблюдается закон сохранения энергии.

Таким образом, электромагнитные волны обладают энергией (а также импульсом), что заставляет считать их столь же реальными, как, например, атомы. Электроны и протоны, находящиеся на Солнце, передают энергию электромагнитному излучению, в основном в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; примерно через 500 с, достигнув Земли, оно эту энергию отдает: повышается температура, в зеленых листьях растений происходит фотосинтез, и т.д. В 1901 П.Н.Лебедев экспериментально измерил давление света, подтвердив, что свет имеет не только энергию, но и импульс (причем соотношение между ними согласуется с теорией Максвелла).

Фотоны и квантовая теория.

На рубеже 19 и 20 вв., когда казалось, что исчерпывающая теория электромагнитного излучения, наконец, построена, природа преподнесла очередной сюрприз: оказалось, что помимо волновых свойств, описываемых теорией Максвелла, излучение проявляет также свойства частиц, причем 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. Оказалось, что энергия каждого выбитого электрона зависит от частоты n падающего света, но не от его интенсивности. Это свидетельствует о том, что энергия, связанная со световой волной, передается дискретными порциями – квантами. Если увеличивать интенсивность падающего света, то растет число выбитых в единицу времени электронов, но не энергия каждого из них. Иными словами, излучение передает энергию определенными минимальными порциями – как бы частицами света, которые были названы фотонами. Фотон не имеет ни массы покоя, ни заряда, но обладает спином, а также импульсом, равным hn/c, и энергией, равной hn; он перемещается в свободном пространстве с постоянной скоростью c.

Каким же образом электромагнитное излучение может иметь все свойства волн, проявляющиеся в интерференции и дифракции, но вести себя как поток частиц в случае фотоэффекта? В настоящее время наиболее удовлетворительное объяснение этой двойственности можно найти в сложном формализме квантовой электродинамики. Но и эта изощренная теория имеет свои трудности, а ее математическая непротиворечивость вызывает сомнения. См. также МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; ВЕКТОР.

К счастью, в макроскопических задачах излучения и приема миллиметровых и более длинных электромагнитных волн квантовомеханические эффекты обычно не имеют существенного значения. Число фотонов, излучаемых, например, симметричной вибраторной антенной, столь велико, а энергия, переносимая каждым из них, столь мала, что можно забыть о дискретных квантах и считать, что испускание излучения – непрерывный процесс.