Definicja fal elektromagnetycznych. Oddziaływanie fal decymetrowych. Skala promieniowania elektromagnetycznego

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

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

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

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

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

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

Fale świetlne włączać:

Promieniowanie rentgenowskie - .

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

Tabela

Fale świetlne mają takie same właściwości jak fale elektromagnetyczne.

1. Fale świetlne są poprzeczne.

2. Wektory i oscylują w fali świetlnej.

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

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

3. Prędkość światła w próżni.

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

Dla fal świetlnych wprowadzono pojęcie bezwzględnego współczynnika załamania światła.

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

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

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

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

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

Do próżni -; dla środowiska - w takim razie

.

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

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

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

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

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

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

Rozdział 1

PODSTAWOWE PARAMETRY FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH

Czym jest fala elektromagnetyczna, można łatwo zilustrować na następującym przykładzie. Jeśli rzucisz kamyk na powierzchnię wody, na powierzchni utworzą się fale, rozprzestrzeniające się w kółko. Poruszają się od źródła swego pochodzenia (zakłócenia) z określoną prędkością propagacji. W przypadku fal elektromagnetycznych zakłóceniami są pola elektryczne i magnetyczne poruszające się w przestrzeni. Zmieniające się w czasie pole elektromagnetyczne nieuchronnie powoduje pojawienie się zmiennego pola magnetycznego i odwrotnie. Pola te są ze sobą powiązane.

Głównym źródłem widma fal elektromagnetycznych jest gwiazda-Słońce. Część widma fal elektromagnetycznych jest widoczna dla ludzkiego oka. Widmo to mieści się w zakresie 380...780 nm (rys. 1.1). W zakresie widzialnym oko odbiera światło inaczej. Wibracje elektromagnetyczne o różnych długościach fal powodują wrażenie światła o różnych kolorach.

Część widma fal elektromagnetycznych wykorzystywana jest do celów radiowo-telewizyjnych i komunikacyjnych. Źródłem fal elektromagnetycznych jest drut (antena), w którym oscylują ładunki elektryczne. Proces powstawania pola, który rozpoczął się w pobliżu drutu, stopniowo, punkt po punkcie, obejmuje całą przestrzeń. Im wyższa częstotliwość prądu przemiennego przepływającego przez drut i wytwarzającego pole elektryczne lub magnetyczne, tym intensywniejsze są fale radiowe o danej długości wytwarzane przez drut.

Fale elektromagnetyczne mają następujące główne cechy.

1. Długość fali lв, to najkrótsza odległość między dwoma punktami w przestrzeni, w której faza harmonicznej fali elektromagnetycznej zmienia się o 360°. Faza to stan (etap) procesu okresowego (ryc. 1.2).

Telewizja naziemna wykorzystuje fale metrowe (MB) i decymetrowe (UHF), natomiast transmisja satelitarna wykorzystuje fale centymetrowe (CM). Gdy zakres częstotliwości SM zostanie zapełniony, zakres fal milimetrowych (pasmo Ka) zostanie opanowany.

2. Okres oscylacji fali T- czas, w którym następuje jedna całkowita zmiana natężenia pola, tj. czas, w którym punkt fali radiowej, mający pewną stałą fazę, pokonuje drogę równą długości fali lв.

3. Częstotliwość oscylacji pola elektromagnetycznego F(liczba oscylacji pola na sekundę) jest określona wzorem

Jednostką miary częstotliwości jest herc (Hz), czyli częstotliwość, przy której występuje jedna oscylacja na sekundę. W transmisji satelitarnej mamy do czynienia z bardzo wysokimi częstotliwościami drgań elektromagnetycznych mierzonymi w gigahercach.

Do bezpośredniego nadawania telewizji satelitarnej (SNTV) poprzez łącze Przestrzeń-Ziemia wykorzystywane jest dolne pasmo pasma C i część pasma Ku (10,7...12,75 GGi). Górna część tych zakresów służy do przesyłania informacji wzdłuż linii Ziemia – Kosmos (tabela 1.1).

4. Prędkość fali Z - prędkość propagacji kolejnej fali ze źródła energii (anteny).

Prędkość rozchodzenia się fal radiowych w wolnej przestrzeni (próżni) jest stała i równa prędkości światła C = 300 000 km/s. Pomimo tak dużej prędkości fala elektromagnetyczna przemieszcza się wzdłuż linii Ziemia – Przestrzeń – Ziemia w czasie 0,24 s. Na Ziemi audycje radiowe i telewizyjne można odbierać niemal natychmiast w każdym miejscu. Podczas propagacji w przestrzeni rzeczywistej, np. w powietrzu, prędkość fali radiowej zależy od właściwości ośrodka i zwykle jest mniejsza Z od wartości współczynnika załamania światła ośrodka.

Częstotliwość fal elektromagnetycznych F, prędkość ich propagacji C i długość fali l są powiązane zależnością

lв=C/F i odtąd F=1/T wtedy lв=С*T.

Podstawiając do ostatniego wzoru wartość prędkości C = 300 000 km/s, otrzymujemy

lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)

Dla wysokich częstotliwości długość fali drgań elektromagnetycznych można wyznaczyć ze wzoru lv(m)=300/F(MHz) Znając długość fali drgań elektromagnetycznych częstotliwość wyznacza się ze wzoru F(MHz)=300/lv (M)

5. Polaryzacja fal radiowych. Składowe elektryczne i magnetyczne pola elektromagnetycznego są odpowiednio scharakteryzowane za pomocą wektorów E i N, które pokazują wartość natężenia pola i jego kierunek. Polaryzacja to orientacja wektora pola elektrycznego mi fale względem powierzchni ziemi (ryc. 1.2).

Rodzaj polaryzacji fal radiowych zależy od orientacji (położenia) anteny nadawczej względem powierzchni ziemi. Zarówno telewizja naziemna, jak i satelitarna wykorzystuje polaryzację liniową, czyli poziomą N i pionowe V (ryc. 1.3).

Fale radiowe o poziomym wektorze pola elektrycznego nazywane są spolaryzowanymi poziomo, a fale o pionowym polu elektrycznym nazywane są spolaryzowanymi pionowo. Płaszczyzna polaryzacji tych ostatnich fal jest pionowa, a wektor N(patrz ryc. 1.2) znajduje się w płaszczyźnie poziomej.

Jeśli antena nadawcza zostanie zainstalowana poziomo nad powierzchnią ziemi, wówczas linie pola elektrycznego również będą zlokalizowane poziomo. W tym przypadku pole będzie indukować największą siłę elektromotoryczną (EMF) w poziomie

Rysunek 1.4. Polaryzacja kołowa fal radiowych:

LZ- lewy; RZ- Prawidłowy

antena odbiorcza zlokalizowana strefowo. Dlatego kiedy N polaryzacją fal radiowych, antena odbiorcza musi być ustawiona poziomo. W takim przypadku teoretycznie nie będzie odbioru fal radiowych na antenie umieszczonej pionowo, ponieważ emf indukowany w antenie wynosi zero. I odwrotnie, gdy antena nadawcza znajduje się w pozycji pionowej, antena odbiorcza musi być również ustawiona pionowo, co pozwoli jej uzyskać najwyższe pole elektromagnetyczne.

W transmisji telewizyjnej ze sztucznych satelitów Ziemi (AES) oprócz polaryzacji liniowej powszechnie stosowana jest polaryzacja kołowa. Dzieje się tak, co dziwne, z zatłoczonej przestrzeni powietrznej, ponieważ na orbicie znajduje się duża liczba satelitów komunikacyjnych i satelitów do bezpośredniego nadawania telewizji (na żywo).

Często w tabelach parametrów satelitarnych podają skrócone oznaczenie rodzaju polaryzacji kołowej - L i R. Polaryzacja kołowa fal radiowych jest tworzona na przykład przez stożkową spiralę na zasilaniu anteny nadawczej. W zależności od kierunku nawinięcia spirali polaryzacja kołowa jest lewa lub prawa (ryc. 1.4).

W związku z tym w zasilaniu anteny naziemnej telewizji satelitarnej należy zainstalować polaryzator, który reaguje na polaryzację kołową fal radiowych emitowanych przez antenę nadawczą satelity.

Rozważmy zagadnienia modulacji oscylacji o wysokiej częstotliwości i ich widma podczas transmisji z satelitów. Zaleca się to zrobić w porównaniu z naziemnymi systemami transmisji.

Oddzielenie częstotliwości nośnych obrazu i dźwięku wynosi 6,5 MHz, pozostała część dolnego pasma bocznego (na lewo od nośnej obrazu) wynosi 1,25 MHz, a szerokość kanału audio wynosi 0,5 MHz

(ryc. 1.5). Biorąc to pod uwagę, przyjmuje się, że całkowita szerokość kanału telewizyjnego wynosi 8,0 MHz (zgodnie ze standardami D i K przyjętymi w krajach WNP).

Nadawcza stacja telewizyjna ma dwa nadajniki. Jeden z nich przesyła elektryczne sygnały obrazu, a drugi dźwięk, odpowiednio, na różnych częstotliwościach nośnych. Modulacją nazywa się zmianę jakiegoś parametru oscylacji wysokiej częstotliwości nośnej (moc, częstotliwość, faza itp.) pod wpływem oscylacji o niskiej częstotliwości. Stosowane są dwa główne typy modulacji: modulacja amplitudy (AM) i modulacja częstotliwości (FM). W telewizji sygnały obrazu są transmitowane w paśmie AM, a dźwięk w paśmie FM. Po modulacji drgania elektryczne zostają wzmocnione, następnie przedostają się do anteny nadawczej i są przez nią emitowane w przestrzeń (eter) w postaci fal radiowych.

W naziemnej telewizji naziemnej z wielu powodów nie jest możliwe wykorzystanie pasma FM do transmisji sygnałów obrazu. Na SM jest znacznie więcej miejsca na antenie i istnieje taka możliwość. W efekcie kanał satelitarny (transponder) zajmuje pasmo częstotliwości 27 MHz.

Zalety modulacji częstotliwości sygnału podnośnej:

mniejsza wrażliwość na zakłócenia i szum w porównaniu do AM, mała wrażliwość na nieliniowość charakterystyk dynamicznych kanałów transmisji sygnału, a także stabilność transmisji na duże odległości. Charakterystyki te tłumaczy się stałością poziomu sygnału w kanałach transmisyjnych, możliwością przeprowadzenia korekcji częstotliwościowej preemfazy, co korzystnie wpływa na stosunek sygnału do szumu, dzięki czemu FM może znacznie zmniejszyć moc nadajnika podczas przesyłania informacji na tę samą odległość. Na przykład systemy naziemne wykorzystują nadajniki, które są 5 razy silniejsze do przesyłania sygnałów obrazu w tej samej stacji telewizyjnej niż do przesyłania sygnałów audio.

Fale elektromagnetyczne to rozchodzenie się pól elektromagnetycznych w przestrzeni i czasie.

Jak zauważono powyżej, istnienie fal elektromagnetycznych teoretycznie przepowiedział wielki angielski fizyk J. Maxwell w 1864 roku. Przeanalizował wszystkie znane wówczas prawa elektrodynamiki i podjął próbę zastosowania ich do zmiennych w czasie pól elektrycznych i magnetycznych. Wprowadził do fizyki pojęcie wirowego pola elektrycznego i zaproponował nową interpretację prawa indukcji elektromagnetycznej, odkrytego przez Faradaya w 1831 roku: każda zmiana pola magnetycznego generuje wirowe pole elektryczne w otaczającej przestrzeni, linie siły które są zamknięte.

Postawił hipotezę o istnieniu procesu odwrotnego: zmienne w czasie pole elektryczne generuje pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Maxwell jako pierwszy opisał dynamikę nowej formy materii – pola elektromagnetycznego i wyprowadził układ równań (równań Maxwella) łączących charakterystykę pola elektromagnetycznego z jego źródłami – ładunkami elektrycznymi i prądami. W fali elektromagnetycznej zachodzą wzajemne przemiany pola elektrycznego i magnetycznego. Rysunek 2 a, b ilustruje wzajemną transformację pola elektrycznego i magnetycznego.

Rysunek 2 - Wzajemna transformacja pola elektrycznego i magnetycznego: a) Prawo indukcji elektromagnetycznej w interpretacji Maxwella; b) Hipoteza Maxwella. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne

Podział pola elektromagnetycznego na elektryczne i magnetyczne zależy od wyboru układu odniesienia. Rzeczywiście, wokół ładunków znajdujących się w spoczynku w tym samym układzie odniesienia istnieje tylko pole elektryczne; jednakże te same ładunki będą przemieszczać się względem innego układu odniesienia i wytwarzać w tym układzie odniesienia, oprócz elektrycznego, także pole magnetyczne. Zatem teoria Maxwella powiązała ze sobą zjawiska elektryczne i magnetyczne.

Jeśli za pomocą oscylujących ładunków wzbudzone zostanie zmienne pole elektryczne lub magnetyczne, wówczas w otaczającej przestrzeni pojawia się sekwencja wzajemnych przekształceń pól elektrycznych i magnetycznych, rozprzestrzeniająca się z punktu do punktu. Obydwa te pola są wirami, a wektory i leżą w wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Proces propagacji pola elektromagnetycznego pokazano schematycznie na rys. 3. Proces ten, który ma charakter okresowy w czasie i przestrzeni, jest falą elektromagnetyczną.

Rysunek 3 - Proces propagacji pola elektromagnetycznego

Hipoteza ta była jedynie założeniem teoretycznym, które nie miało potwierdzenia eksperymentalnego, ale na jej podstawie Maxwell był w stanie zapisać spójny układ równań opisujących wzajemne przemiany pola elektrycznego i magnetycznego, czyli układ równań pola elektromagnetycznego.

Z teorii Maxwella wynika zatem szereg ważnych wniosków – podstawowe właściwości fal elektromagnetycznych.

Istnieją fale elektromagnetyczne, tj. pole elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni i czasie.

W naturze zjawiska elektryczne i magnetyczne działają jak dwie strony tego samego procesu.

Fale elektromagnetyczne są emitowane przez oscylujące ładunki. Obecność przyspieszenia jest głównym warunkiem emisji fal elektromagnetycznych, tj.

• - jakakolwiek zmiana pola magnetycznego powoduje powstanie wirowego pola elektrycznego w otaczającej przestrzeni (rys. 2a).
• - każda zmiana pola elektrycznego wzbudza w otaczającej przestrzeni wirowe pole magnetyczne, którego linie indukcyjne leżą w płaszczyźnie prostopadłej do linii natężenia przemiennego pola elektrycznego i zakrywają je (ryc. 2b).

Linie indukcyjne powstającego pola magnetycznego tworzą z wektorem „prawą śrubę”. Fale elektromagnetyczne są wektorami poprzecznymi i prostopadłymi do siebie oraz leżą w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali (ryc. 4).

Rysunek 4 - Poprzeczne fale elektromagnetyczne

Okresowe zmiany pola elektrycznego (wektor napięcia E) generują zmienne pole magnetyczne (wektor indukcji B), które z kolei generuje zmienne pole elektryczne. Oscylacje wektorów E i B zachodzą w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych oraz prostopadłych do linii propagacji fali (wektora prędkości) i w dowolnym punkcie są w fazie. Linie pola elektrycznego i magnetycznego w fali elektromagnetycznej są zamknięte. Takie pola nazywane są polami wirowymi.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w materii ze skończoną prędkością, co po raz kolejny potwierdziło słuszność teorii interakcji krótkiego zasięgu.

Konkluzja Maxwella o skończonej prędkości rozchodzenia się fal elektromagnetycznych była sprzeczna z przyjętą wówczas teorią oddziaływania dalekiego zasięgu, w której zakładano, że prędkość rozchodzenia się pól elektrycznych i magnetycznych jest nieskończenie duża. Dlatego teorię Maxwella nazywa się teorią działania krótkiego zasięgu.

Fale takie mogą rozchodzić się nie tylko w gazach, cieczach i ciałach stałych, ale także w próżni.

Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni wynosi c=300 000 km/s. Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych.

Rozchodzenie się fali elektromagnetycznej w dielektryku polega na ciągłej absorpcji i reemisji energii elektromagnetycznej przez elektrony i jony substancji wywołującej wymuszone oscylacje w przemiennym polu elektrycznym fali. W tym przypadku prędkość fali w dielektryku maleje.

Fale elektromagnetyczne niosą energię. Kiedy fale się rozchodzą, powstaje przepływ energii elektromagnetycznej. Jeśli wybierzemy ośrodek S (rys. 4), zorientowany prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali, to w krótkim czasie Dt przez to miejsce przepłynie energia DWem równa

DWem = (my + wm)xSDt.

Podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego częstotliwość fali się nie zmienia.

Fale elektromagnetyczne mogą być pochłaniane przez materię. Dzieje się tak na skutek rezonansowej absorpcji energii przez naładowane cząstki materii. Jeżeli naturalna częstotliwość oscylacji cząstek dielektryka bardzo różni się od częstotliwości fali elektromagnetycznej, absorpcja zachodzi słabo, a ośrodek staje się przezroczysty dla fali elektromagnetycznej.

Kiedy fala uderza w powierzchnię styku dwóch ośrodków, część fali zostaje odbita, a część przechodzi do drugiego ośrodka, ulegając załamaniu. Jeżeli drugim ośrodkiem jest metal, wówczas fala przekazywana do drugiego ośrodka szybko ulega osłabieniu, a większość energii (zwłaszcza drgań o niskiej częstotliwości) odbija się do pierwszego ośrodka (metale są nieprzezroczyste dla fal elektromagnetycznych).

Rozchodzące się w mediach fale elektromagnetyczne, jak każde inne fale, mogą ulegać załamaniu i odbiciu na styku ośrodków, rozproszeniu, absorpcji, interferencji; Podczas propagacji w ośrodkach niejednorodnych obserwuje się dyfrakcję fal, rozpraszanie fal i inne zjawiska.

Z teorii Maxwella wynika, że ​​fale elektromagnetyczne muszą wywierać nacisk na ciało absorbujące lub odbijające. Ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego tłumaczy się tym, że pod wpływem pola elektrycznego fali w substancji powstają słabe prądy, to znaczy uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Na prądy te wpływa siła amperowa pola magnetycznego fali, skierowana w grubość substancji. Siła ta wytwarza powstałe ciśnienie. Zwykle ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego jest znikome. Na przykład ciśnienie promieniowania słonecznego docierającego na Ziemię na powierzchnię całkowicie pochłaniającą wynosi około 5 μPa.

Pierwsze eksperymenty mające na celu określenie ciśnienia promieniowania na ciałach odbijających i pochłaniających, które potwierdziły wnioski teorii Maxwella, przeprowadził wybitny fizyk Uniwersytetu Moskiewskiego P.N. Lebiediewa w 1900 r. Odkrycie tak małego efektu wymagało od niego niezwykłej pomysłowości i umiejętności w przygotowaniu i przeprowadzeniu eksperymentu. W 1900 r. udało mu się zmierzyć lekkie ciśnienie ciał stałych, a w 1910 r. gazów. Główna część urządzenia P.I Do pomiaru ciśnienia świetlnego Lebiediew zastosował lekkie dyski o średnicy 5 mm zawieszone na elastycznej nici (ryc. 5) wewnątrz opróżnionego naczynia.

Rysunek 5 – Eksperyment P.I. Lebiediewa

Dyski były wykonane z różnych metali i można je było wymieniać podczas eksperymentów. Na dyski kierowano światło z silnego łuku elektrycznego. W wyniku działania światła na krążki doszło do skręcenia gwintu i odkształcenia krążków. Wyniki eksperymentów P.I. Lebiediewa były całkowicie zgodne z teorią elektromagnetyczną Maxwella i miały ogromne znaczenie dla jej zatwierdzenia.

Istnienie ciśnienia fal elektromagnetycznych pozwala stwierdzić, że pole elektromagnetyczne charakteryzuje się impulsem mechanicznym.Ta zależność pomiędzy masą i energią pola elektromagnetycznego w jednostce objętości jest uniwersalnym prawem natury. Według szczególnej teorii względności dotyczy to wszelkich ciał, niezależnie od ich natury i budowy wewnętrznej.

Ponieważ ciśnienie fali świetlnej jest bardzo małe, nie odgrywa ono znaczącej roli w zjawiskach, z którymi spotykamy się w życiu codziennym. Ale w kosmicznych i mikroskopijnych układach o przeciwnych skalach rola tego efektu gwałtownie wzrasta. Zatem przyciąganie grawitacyjne zewnętrznych warstw materii każdej gwiazdy do centrum jest równoważone przez siłę, na którą znaczny udział ma ciśnienie światła docierającego z głębi gwiazdy na zewnątrz. W mikrokosmosie ciśnienie światła objawia się np. zjawiskiem wychodzenia światła z atomu. Doświadcza tego wzbudzony atom, gdy emituje światło.

Ciśnienie światła odgrywa znaczącą rolę w zjawiskach astrofizycznych, w szczególności w powstawaniu ogonów komet, gwiazd itp. Ciśnienie światła osiąga znaczną wartość w miejscach, w których skupia się promieniowanie z potężnych kwantowych generatorów światła (laserów). Zatem nacisk skupionego promieniowania laserowego na powierzchnię cienkiej blachy może doprowadzić do jej uszkodzenia, czyli pojawienia się dziury w płycie. Zatem pole elektromagnetyczne ma wszystkie cechy ciał materialnych - energię, skończoną prędkość propagacji, pęd, masę. Sugeruje to, że pole elektromagnetyczne jest jedną z form istnienia materii.

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

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

W latach 1860-1865 jeden z najwybitniejszych fizyków XIX wieku Jamesa Clerka Maxwella stworzył teorię pole elektromagnetyczne. Według Maxwella zjawisko indukcji elektromagnetycznej wyjaśnia się w następujący sposób. Jeśli w pewnym punkcie przestrzeni pole magnetyczne zmienia się w czasie, wówczas powstaje tam również pole elektryczne. Jeżeli w polu znajduje się zamknięty przewodnik, wówczas pole elektryczne powoduje w nim indukowany prąd. Z teorii Maxwella wynika, że ​​możliwy jest także proces odwrotny. Jeśli w pewnym obszarze przestrzeni pole elektryczne zmienia się w czasie, wówczas powstaje tam również pole magnetyczne.

Zatem każda zmiana pola magnetycznego w czasie powoduje powstanie zmieniającego się pola elektrycznego, a każda zmiana pola elektrycznego w czasie powoduje zmianę pola magnetycznego. Te naprzemienne pola elektryczne i magnetyczne wytwarzające się wzajemnie tworzą pojedyncze pole elektromagnetyczne.

Właściwości fal elektromagnetycznych

Najważniejszym wnioskiem, jaki wynika z teorii pola elektromagnetycznego sformułowanej przez Maxwella, było przewidywanie możliwości istnienia fal elektromagnetycznych. Fala elektromagnetyczna- propagacja pól elektromagnetycznych w przestrzeni i czasie.

Fale elektromagnetyczne, w przeciwieństwie do fal sprężystych (dźwiękowych), mogą rozchodzić się w próżni lub dowolnej innej substancji.

Fale elektromagnetyczne w próżni rozchodzą się z dużą prędkością c=299 792 km/s czyli z prędkością światła.

W materii prędkość fali elektromagnetycznej jest mniejsza niż w próżni. Zależność pomiędzy długością fali, jej prędkością, okresem i częstotliwością oscylacji uzyskana dla fal mechanicznych jest prawdziwa również dla fal elektromagnetycznych:

Wahania wektora napięcia mi i wektor indukcji magnetycznej B zachodzą w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali (wektor prędkości).

Fala elektromagnetyczna przenosi energię.

Zasięg fal elektromagnetycznych

Wokół nas istnieje złożony świat fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach: promieniowanie z monitorów komputerów, telefonów komórkowych, kuchenek mikrofalowych, telewizorów itp. Obecnie wszystkie fale elektromagnetyczne są podzielone według długości fali na sześć głównych zakresów.

Fale radiowe- są to fale elektromagnetyczne (o długości fali od 10000 m do 0,005 m), służące do przesyłania sygnałów (informacji) na odległość bez użycia przewodów. W komunikacji radiowej fale radiowe powstają w wyniku przepływu prądów o wysokiej częstotliwości przez antenę.

Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,005 m do 1 mikrona, tj. leżące pomiędzy zakresem fal radiowych a zakresem światła widzialnego promieniowanie podczerwone. Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde nagrzane ciało. Źródłami promieniowania podczerwonego są piece, baterie i żarówki elektryczne. Za pomocą specjalnych urządzeń promieniowanie podczerwone można przekształcić w światło widzialne, a obrazy nagrzanych obiektów można uzyskać w całkowitej ciemności.

DO widzialne światło obejmują promieniowanie o długości fali od około 770 nm do 380 nm, od czerwieni do fioletu. Znaczenie tej części widma promieniowania elektromagnetycznego w życiu człowieka jest niezwykle duże, ponieważ człowiek otrzymuje prawie wszystkie informacje o otaczającym go świecie poprzez wzrok.

Nazywa się promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali krótszej niż fiolet, niewidocznym dla oka promieniowanie ultrafioletowe. Może zabić bakterie chorobotwórcze.

Promieniowanie rentgenowskie niewidoczny dla oka. Przechodzi bez znacznej absorpcji przez znaczne warstwy substancji nieprzezroczystej dla światła widzialnego, która służy do diagnostyki chorób narządów wewnętrznych.

Promieniowanie gamma zwane promieniowaniem elektromagnetycznym, emitowanym przez wzbudzone jądra i powstającym w wyniku oddziaływania cząstek elementarnych.

Zasada łączności radiowej

Jako źródło fal elektromagnetycznych wykorzystuje się obwód oscylacyjny. Dla efektywnego promieniowania obwód jest „otwarty”, tj. stworzyć warunki, aby pole mogło „wylecieć” w przestrzeń. To urządzenie nazywa się otwartym obwodem oscylacyjnym - antena.

Komunikacja radiowa to przekazywanie informacji za pomocą fal elektromagnetycznych, których częstotliwości mieszczą się w zakresie od do Hz.

Radar (radar)

Urządzenie, które transmituje fale ultrakrótkie i natychmiast je odbiera. Promieniowanie odbywa się w krótkich impulsach. Impulsy odbijają się od obiektów, co pozwala po odebraniu i przetworzeniu sygnału określić odległość do obiektu.

Radar prędkości działa na podobnej zasadzie. Pomyśl o tym, jak radar wykrywa prędkość poruszającego się samochodu.