В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл предсказал возможность существования в пространстве электромагнитных волн. Это утверждение он выдвинул основываясь на выводах, вытекающих из анализа всех известных к тому моменту экспериментальных данных касательно электричества и магнетизма.

Максвелл математически объединил законы электродинамики, связав электрические и магнитные явления, и таким образом пришел к выводу, что изменяющиеся с течением времени электрическое и магнитное поля порождают друг друга.

Изначально он сделал акцент на том факте, что взаимосвязь магнитных и электрических явлений не симметрична, и ввел термин «вихревое электрическое поле», предложив свое, по-настоящему новое объяснение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем: «всякое изменение магнитного поля приводит к появлению в окружающем пространстве вихревого электрического поля, имеющего замкнутые силовые линии».

Справедливым, по мнению Максвелла, было и обратное утверждение, что «изменяющееся электрическое поле рождает магнитное поле в окружающем пространстве», однако это утверждение оставалось поначалу только гипотезой.

Максвелл записал систему математических уравнений, которые непротиворечиво описали законы взаимных превращений магнитного и электрического полей, эти уравнения стали впоследствии основными уравнениями электродинамики, и стали называться «уравнения Максвелла» в честь записавшего их великого ученого. Гипотеза Максвелла, с опорой на написанные уравнения, возымела несколько чрезвычайно важных для науки и техники выводов, которые приведены ниже.

Электромагнитные волны действительно существуют

В пространстве могут существовать поперечные электромагнитные волны, представляющие собой распространяющееся с течением времени . На то что волны являются поперечными, указывает тот факт, что векторы магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е взаимно перпендикулярны и оба лежат в плоскости перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Скорость распространения электромагнитных волн в веществе конечна, и определяется она электрическими и магнитными свойствами вещества, по которому волна распространяется. Длина синусоидальной волны λ при этом связана со скоростью υ определенным точным соотношением λ = υ / f, и зависит от частоты f колебаний поля. Скорость c электромагнитной волны в вакууме - одна из фундаментальных физических констант - скорость света в вакууме.

Поскольку Максвелл заявлял о конечности скорости распространения электромагнитной волны, то это создало противоречие между его гипотезой и принятой в те времена теорией дальнодействия, согласно которой скорость распространения волн должна была бы быть бесконечной. Теорию Максвелла назвали поэтому теорией близкодействия.

В электромагнитной волне одновременно происходит превращение электрического и магнитного полей друг в друга, следовательно объемные плотности магнитной энергии и электрической энергии равны между собой. Следовательно справедливо утверждение, что модули напряженности электрического поля и индукции магнитного поля связаны между собой в каждой точке пространства следующим соотношением:

Электромагнитная волна в процессе своего распространения создает поток электромагнитной энергии, и если рассмотреть площадку в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны, то за малое время через нее переместится определенное количество электромагнитной энергии. Плотность потока электромагнитной энергии - это количество энергии, переносимой электромагнитной волной через поверхность единичной площади за единицу времени. Подставив значения скорости, а также магнитной и электрической энергии, можно получить выражение для плотности потока через величины Е и В.

Поскольку направление распространения энергии волны совпадает с направлением скорости распространения волны, то поток энергии, распространяющийся в электромагнитной волне можно задать при помощи вектора, направленного так же, как и скорость распространения волны. Этот вектор получил название «вектор Пойнтинга» - в честь британского физика Генри Пойнтинга, разработавшего в 1884 году теорию распространения потока энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии волны измеряется в Вт/кв.м.

При действии электрического поля на вещество, в нем появляются небольшие токи, представляющие собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Эти токи в магнитном поле электромагнитной волны подвергаются действию силы Ампера, которая направлена вглубь вещества. Сила Ампера и порождает в итоге давление.

Это явление позже, в 1900 году, было исследовано и подтверждено опытным путем русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым, экспериментальная работа которого явилась очень важной для подтверждения теории электромагнетизма Максвелла и ее принятия и утверждения в дальнейшем.

Тот факт, что электромагнитная волна оказывает давление, позволяет судить о наличии у электромагнитного поля механического импульса, который можно выразить для единичного объема через объемную плотность электромагнитной энергии и скорость распространения волны в вакууме:

Поскольку импульс связан с движением массы, можно ввести и такое понятие как электромагнитная масса, и тогда для единичного объема это соотношение (в соответствии с СТО) примет характер универсального закона природы, и окажется справедливым для любых материальных тел, вне зависимости от формы материи. А электромагнитное поле тогда сродни материальному телу - обладает энергией W, массой m, импульсом p и конечной скоростью распространения v. То есть электромагнитное поле - это одна из форм реально существующей в природе материи.

Впервые в 1888 году Генрих Герц подтвердил экспериментально электромагнитную теорию Максвелла. Он опытным путем доказал реальность электромагнитных волн и изучил такие их свойства как преломление и поглощение в различных средах, а также отражение волн от металлических поверхностей.

Герц измерил длину волны , и показал, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Экспериментальная работа Герца стала последним шагом к признанию электромагнитной теории Максвелла. Семь лет спустя, в 1895 году, русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны для создания беспроводной связи.

В цепях постоянного тока заряды движутся с постоянной скоростью, и электромагнитные волны в этом случае в пространство не излучаются. Чтобы имело место излучение, необходимо воспользоваться антенной, в которой возбуждались бы переменные токи, то есть токи, быстро изменяющие свое направление.

В простейшем виде для излучения электромагнитных волн пригоден электрический диполь небольшого размера, у которого бы быстро изменялся во времени дипольный момент. Именно такой диполь называют сегодня «диполь Герца», размер которого в несколько раз меньше длины излучаемой им волны.

При излучении диполем Герца, максимальный поток электромагнитной энергии приходится на плоскость, перпендикулярную оси диполя. Вдоль оси диполя излучения электромагнитной энергии не происходит. В важнейших экспериментах Герца были использованы элементарные диполи как для излучения, так и для приема электромагнитных волн, так и было доказано существование электромагнитных волн.

Общие понятия об электромагнитных волнах

На сегодняшнем уроке мы с вами будем рассматривать такую необходимую тему, как электромагнитные волны. А важной эта тема является хотя бы по тому, что вся наша современная жизнь связана с телевиденьем, радиовещанием и мобильной связью. Поэтому стоить подчеркнуть, что все это осуществляется за счет электромагнитных волн.

Теперь перейдем к более подробному рассмотрению вопроса, связанного с электромагнитными волнами и в первую очередь озвучим определение таких волн.

Как вам уже известно, волной называют распространяющееся в пространстве возмущение, то есть, если где-то какое-то возмущение произошло, и оно распространяется во все стороны, то мы можем говорить, что распространение этого возмущения это и есть не что иное, как волновое явление.

Электромагнитные волны - это такие электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, которая зависит от свойства среды. Иными словами можно сказать, что электромагнитной волной называют распространяющееся в пространстве электромагнитное поле или электромагнитное возмущение.

Давайте свое обсуждение начнем с того, что теорию электромагнитных волн электромагнитного поля впервые создал английский ученый Джеймс Максвелл. Самое интересное и любопытное в этой работе заключается в том, что оказывается электрические и магнитные поля, как вы знаете, и так как было доказано, что они существуют вместе. Но оказывается, они могут существовать и совершенно в отсутствии какого-либо вещества. Вот это очень важное заключение и было сделано в работах Джеймса Клерка Максвелла.

Оказывается, электромагнитное поле может существовать даже там, где отсутствует какое-либо вещество. Вот мы с вами говорили, что звуковые волны присутствуют лишь только там, где есть среда. То есть, колебания, происходящие с частицами, имеют способность передаваться лишь там, где находятся частицы, которые обладают способностью передавать это возмущение.

А вот, что касается электромагнитного поля, то оно может существовать там, где нет вещества, и отсутствуют какие-либо частицы. И так, электромагнитное поле существует в вакууме, значит, из этого следует, что если мы создадим определенные условия и сможем, как бы создать общее электромагнитное возмущение в пространстве, то соответственно это возмущение имеет способность распространяться по всем направлениям. И именно это будет у нас электромагнитная волна.

Первый человек, который смог произвести излучение электромагнитной волны, и прием электромагнитной волны - это был немецкий ученый Генрих Герц. Ему первому удалось создать такую установку по излучению и по приему электромагнитной волны.

Первое, что мы должны здесь сказать, что для излучения электромагнитной волны нам требуется, конечно же, достаточно быстро движущийся электрический заряд. Мы должны создать такое устройство, где будет очень бистро движущийся или ускоренно движущийся электрический заряд.

Генрих Герц, с помощью своих опытов доказал, что для получения мощной и достаточно ощутимой электромагнитной волны, движущийся электрический заряд должен свое колебание осуществлять с очень высокой частотой, то есть порядка нескольких десятков тысяч герц. Также следует подчеркнуть, что если такое колебание происходит у заряда, то вокруг него будет генерироваться переменное электромагнитное поле и распространяться во все стороны. То есть, это и будет электромагнитная волна.

Свойства электромагнитных волн

Еще необходимо отметить тот факт, что электромагнитная волна, конечно же, обладает определенными свойствами и вот об этих свойствах как раз, и было совершенно точно указано в работах Максвелла.

Следует также отметить, что свойства электромагнитных волн имеют определенные различия, а также очень сильно зависят от ее длины. В зависимости от свойств и длинны волн электромагнитные волны делятся на диапазоны. Они имеют довольно таки условную шкалу, так как соседние диапазоны имеют свойства накладываться друг на друга.

Не лишним будет знать и то, что некоторые области обладают общими свойствами. К таким свойствам относятся:

Способность проникновения;
высокая скорость распространения в веществе;
влияние на человеческий организм, как положительное, так и отрицательное и т.д.

К разновидностям электромагнитных волн можно отнести, как радиоволны, ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, видимый свет, а также рентгеновское, гамма-излучение и другие.

А теперь давайте внимательно рассмотрит приведенную внизу таблицу, и подробнее изучим, как можно классифицировать электромагнитные волны, какие бывают виды излучений, источники излучения, а также их частоту:

Интересные факты о электромагнитных волнах

Наверное, ни для кого не будет секретом тот факт, что пространство, которое нас окружает, пронизано электромагнитным излучением. Такое излучение связано не только с телефонными и радиоантеннами, но и окружающими нас телами, Землей, Солнцем и звездами. В зависимости от частоты колебаний электромагнитные волны могут иметь различные названия, но суть их сходна. К таким электромагнитным волнам можно отнести, как радиоволны, так и инфракрасное излучение, и видимый свет, и рентгеновские лучи, а так же лучи биополя.

Такой безграничный источник энергии, как электромагнитное поле является причиной появления колебания электрических зарядов атомов и молекул. Из этого следует, что колеблясь, заряд движется с ускорением и при этом излучает электромагнитные волны.

Воздействие электромагнитных волн на здоровье человека

Уже много лет ученные обеспокоены проблемой влияния электромагнитных полей на здоровье человека, животных и растений и поэтому много времени посвящают исследованиям и изучению этой проблемы.

Наверное, каждый из вас бывал на дискотеках и обращал внимание на то, что под действием ультрафиолетовых ламп светлая одежда начинала светиться. Такой вид излучения не представляет опасности для живых организмов.

А вот посещая солярий или используя в медицинских целях ультрафиолетовые лампы необходимо использовать защиту для глаз, так как такое воздействие может вызывать кратковременную потерю зрения.

Так же при использовании ультрафиолетовых бактерицидных ламп, которые применяют для обеззараживания помещений, необходимо быть крайне осторожными и при их применении необходимо покинуть помещение, так как они отрицательно влияют на кожу человека, а также на растения, вызывая, ожег листьев.

Но кроме окружающих нас источников излучения и различных приборов, организм человека также имеет свои электрические и магнитные поля. Но также следует знать, что в человеческом организме на протяжении его жизни электромагнитные поля имеют свойство постоянно меняться.

Чтобы определить электромагнитное поле человека используют такой точный прибор, как энцефалограф. С помощью этого прибора можно с высокой точностью измерить электромагнитное поле человека и определить его активность в коре головного мозга. Благодаря появлению такого прибора, как энцефалограф, появилась возможность для диагностики различные заболевания даже на ранней стадии.

М. Фарадей ввел понятие поля:

вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,

вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.

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

Рисунок 2.7 - Вихревое электрическое поле

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

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.

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

Возникла идея о едином электромагнитном поле.

Рисунок 2.8 - Единое электромагнитное поле.

Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.

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

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

Распространяется с большой, но конечной скоростью;

Существует независимо от нашей воли и желаний.

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

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

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

Главное условие возникновения электромагнитной волны - ускоренное движение электрических зарядов.

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

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

Рисунок 2.9 - Спектр электромагнитных волн

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

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

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

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

λ=300/f, гдеf - частота (МГц)

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

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

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

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

Рисунок 2.10 - Единое электромагнитное поле.

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

Рисунок 2.11 - Синфазное изменение электрического и магнитного полей.

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

Рисунок 2.12 - Электромагнитная волна.

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

Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.

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

Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).

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

Рисунок 2.13 - Колебательный контур.

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

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

Рисунок 2.14 - Вибратор Герца.

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

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

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

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

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

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

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

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

λ = υТ (1)

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

Радиолиния включает в себя следующие основные части:

Передатчик

Приемник

Среда, в которой распространяются радиоволны.

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

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

,

Применяя операцию rot к первым двум уравнений можно получить отдельные уравнения для определения напряженности электрического и магнитного полей

Эти уравнения имеют типичную форму волновых уравнений. Их развязками есть суперпозиция выражений следующего типа

Где – Определенный вектор, который называется волновым вектором, ? – число, которое называется циклической частотой, ? – фаза. Величины и есть амплитудами электрической и магнитной компоненты электромагнитной волны. Они взаимно перпендикулярны и равны по абсолютной величине. Физическая интерпретация каждой из введенных величин дается ниже.
В вакууме электромагнитная волна распространяется в скоростью, которая называется скоростью света. Скорость света является фундаментальной физической константой, которая обозначается латинской буквой c. Согласно основным постулатом теории относительности скорость света является максимально возможной скоростью передачи информации или движения тела. Эта скорость составляет 299 792 458 м / с.
Электромагнитная волна характеризуется частотой. Различают линейную частоту? и циклическую частоту? = 2??. В зависимости от частоты электромагнитные волны относятся к одному из спектральных диапазонов.
Другой характетистика электромагнитной волны волновой вектор . Волновой вектор определяет направление распространения электромагнитной волны, а также ее длину. Абсолютное значение хвильoвого вектора называют волновым числом.
Длина электромагнитной волны? = 2? / k, где k – волновое число.
Длина электромагнитной волны связана с частотой через закон дисперсии. В пустоте эта связь прост:

?? = c.

Часто данное соотношение записывают в виде

? = c k.

Электромагнитные волны с одинаковой частотой и волновым вектором могут различаться фазой.
В пустоте векторы напряженности электрического и магнитного полей Електомагнитна волны обязательно перпендикулярны направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными волнами. Математически это описывается уравнениями и . Кроме того, напряженности елекричного и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и всегда в любой точке пространства равные по абсолютной величине: E = H. Если выбрать систему координат таким образом, чтобы ось z совпадала с направлением распространения электромагнитной волны, существовать две различные возможности для направлений векторов напряженности электрического поля. Если эклектичное поле направлено вдоль оси x, то магнитное поле будет направлено вдоль оси y, и наоборот. Эти две разные возможности не исключают друг друга и соответствуют двум различным поляризация. Подробнее этот вопрос разбирается в статьи Поляризация волн.
Спектральные диапазоны с выделенным видимым светом В зависимости от частоты или длины волны (эти величины связаны между собой), электромагнитные волны относят к разным диапазонам. Волны в различных диапазонах различным образом взаимодействуют с физическими телами.
Электромагнитные волны с наименьшей частотой (или наибольшей длиной волны) относятся к радиодиапазона. Радиодиапазон используется для передачи сигналов на расстояние с помощью радио, телевидения, мобильных телефонов. В радиодиапазоне работает радиолокация. Радиодиапазон разделяется на метровый, дицеметровий, сантиметровый, миллиметровый, в зависимости от длины Електомагнитна волны.
Электромагнитные волны с вероятностью принадлежат к инфракрасного диапазона. В инфракрасном диапазоне лежит тепловое излучение тела. Регистрация этого випромиювання лежит в основе работы приборов ночного видения. Инфракрасные волны применяются для изучения тепловых колебаний в телах и помогают установить атомную структуру твердых тел, газов и жидкостей.
Электромагнитное излучение с длиной волны от 400 нм до 800 нм принадлежат к диапазону видимого света. В зависимости от частоты и длины волны видимый свет различается по цветам.
Волны с длиной менее 400 нм называются ультрафиолетовыми. Человеческий глаз их не различает, хотя их свойства не отличаются от свойств волн видимого диапазона. Большая частота, а, следовательно, и энергия квантов такого света приводит к более разрушительного воздействия ультрафиолетовых волн на биологические объекты. Земная поверхность защищена от вредного воздействия ультрафиолетовых волн озоновым слоем. Для дополнительной защиты природа наделила людей темной кожей. Однако ультрафиолетовые лучи нужны человеку для производства витамина D. Именно поэтому люди в северных широтах, где интенсивность ультрафиолетовых волн меньше, потеряли темную окраску кожи.
Електомагнитна волны более высокой частоты относятся к рентгеновского диапазона. Они называют так потому, что их открыл Рентген, изучая излучения, которое образуется при торможении электронов. В зарубежной литературе такие волны принято называть X-лучами, уважая желание Рентгена, чтобы лучи не называли его именем. Рентгеновские волны слабо взаимодействуют с веществом, сильнее поглощаясь там, где плотность больше. Этот факт используется в медицине для рентгеновской флюорографии. Рентгеновские волны применяются также для элементного анализа и изучения структуры кристаллических тел.
Наивысшую частоту и наименьшую длину имеют ?-лучи. Такие лучи образуются в результате ядерных реакций и реакций между элементарными частицами. ?-лучи обладают большой разрушительное воздействие на биологические объекты. Однако они используются в физике для изучения различных характеристик атомного ядра.
Энергия электромагнитной волны определяется суммой энергий электрического и магнитного поля. Плотность энергии в определенной точке пространства задается выражением:

.

Усредненная по времени плотность энергии равна.

,

Где E 0 = H 0 – амплитуда волны.
Важное значение имеет плотность потока энергии электромагнитной волны. Она в частности определяет световой поток в оптике. Плотность потока энергии электромагнитной волны задается вектором Умова-Пойнтинга.

Распространения электромагнитных волн в среде имеет ряд особенностей по сравнению с распространением в пустоте. Эти особенности связаны со свойствами среды и в целом зависят от частоты электромагнитной волны. Электрическая и магнитная составляющая волны вызывают поляризацию и намагничивания среды. Этот отклик среды неодинаковых в случае малой и большой частоты. При малой частоте электромагнитной волны, электроны и ионы вещества успевают отреагировать на изменение интенсивности электрического и магнитного полей. Отклик среды отслеживает временные колебания в волны. При большой частоте электроны и ионы вещества не успевают сместиться течение периода колебания полей волны, а потому поляризация и намагничивание среды намного меньше.
Электромагнитное поле малой частоты не проникает в металлы, где много свободных электронов, которые смещаются таким образом, полностью гасят электромагнитную волну. Электромагнитная волна начинает проникать в металл при частоте превышающей определенную частоту, которая называется плазменной частотой. При частотах меньших плазменную частоту электромагнитная волна может проникать в поверхностный слой металла. Это явление называется скин-эффектом.
В диэлектриках изменяется закон дисперсии электромагнитной волны. Если в пустоте электромагнитные волны распространяются с постоянной амплитудой, то в среде они затухают, вследствие поглощения. При этом энергия волны передается электронам или ионам среды. Всего закон дисперсии при отсутствии магнитных эффектов принимает вид

Где волновое число k – всего комплексная величина, мнимая часть которой описывает уменьшение амплитуды елетромагнитнои волны, – Зависящая от частоты комплексная диэлектрическая проницаемость среды.
В анизотропных средах направление векторов напряженности электрического и магнитного полей не обязательно перпендикулярен направлению распространения волны. Однако направление векторов электрической и магнитной индукции сохраняет это свойство.
В среде при определенных условиях может распространяться еще один тип электромагнитной волны – продольная электромагнитная волна, для которой направление вектора напряженности электрического поля совпадает с направлением распространения волны.
В начале двадцатого века для того, чтобы объяснить спектр излучения абсолютно черного тела, Макс Планк предположил, что электромагнитные волны излучаются квантами с энергией пропорциональной частоте. Через несколько лет Альберт Эйнштейн, объясняя явление фотоэффекта расширил эту идею, предположив, что электромагнитные волны поглощаются такими же квантами. Таким образом, стало ясно, что электромагнитные волны характеризуются некоторыми свойствами, которые раньше приписывались материальным частицам, корпускул.
Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма.

Электромагнитные волны (таблица которых будет приведена ниже) представляют собой возмущения магнитных и электрических полей, распределяющиеся в пространстве. Их существует несколько типов. Изучением этих возмущений занимается физика. Электромагнитные волны образуются из-за того, что электрическое переменное поле порождает магнитное, а оно, в свою очередь, порождает электрическое.

История исследований

Первые теории, которые можно считать самыми старыми вариантами гипотез об электромагнитных волнах, относятся как минимум к временам Гюйгенса. В тот период предположения достигли выраженного количественного развития. Гюйгенс в 1678-м году выпустил в некотором роде "набросок" теории - "Трактат о свете". В 1690-м он же издал другой замечательный труд. В нем была изложена качественная теория отражения, лучепреломления в том виде, в котором она и сегодня представлена в школьных учебниках ("Электромагнитные волны", 9 класс).

Вместе с этим был сформулирован принцип Гюйгенса. С его помощью появилась возможность изучать движение фронта волны. Этот принцип впоследствии нашел свое развитие в трудах Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля имел особую значимость в теории дифракции и волновой теории света.

В 1660-1670-е годы большой экспериментальный и теоретический вклад внесли в исследования Гук и Ньютон. Кто открыл электромагнитные волны? Кем были проведены опыты, доказывающие их существование? Какие существуют виды электромагнитных волн? Об этом далее.

Обоснование Максвелла

Прежде чем говорить о том, кто открыл электромагнитные волны, следует сказать, что первым ученым, который вообще предсказал их существование, стал Фарадей. Свою гипотезу он выдвинул в 1832-м году. Построением теории впоследствии занимался Максвелл. К 1865-му году он завершил эту работу. В результате Максвелл строго оформил теорию математически, обосновав существование рассматриваемых явлений. Им же была определена скорость распространения электромагнитных волн, совпадавшая с применявшимся тогда значением световой скорости. Это, в свою очередь, позволило ему обосновать гипотезу о том, что свет является одним из типов рассматриваемых излучений.

Экспериментальное обнаружение

Теория Максвелла нашла свое подтверждение в опытах Герца в 1888-м году. Здесь следует сказать, что немецкий физик проводил свои эксперименты, чтобы опровергнуть теорию, несмотря на ее математическое обоснование. Однако благодаря своим опытам Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны практически. Кроме того, в ходе своих экспериментов ученый выявил свойства и характеристики излучений.

Электромагнитные колебания и волны Герц получал за счет возбуждения серии импульсов быстропеременного потока в вибраторе при помощи источника повышенного напряжения. Высокочастотные потоки можно обнаружить при помощи контура. Частота колебаний при этом будет тем выше, чем выше его емкость и индуктивность. Но при этом большая частота не является гарантией интенсивного потока. Для проведения своих опытов Герц применил достаточно простое устройство, которое сегодня так и называют - "вибратор Герца". Приспособление представляет собой колебательный контур открытого типа.

Схема опыта Герца

Регистрация излучений осуществлялась при помощи приемного вибратора. Это устройство имело такую же конструкцию, что и излучающий прибор. Под влиянием электромагнитной волны электрического переменного поля в приемном устройстве происходило возбуждение токового колебания. Если в этом приборе его собственная частота и частота потока совпадали, то появлялся резонанс. В результате возмущения в приемном устройстве происходили с большей амплитудой. Обнаруживал их исследователь, наблюдая искорки между проводниками в небольшом промежутке.

Таким образом, Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны, доказал их способность хорошо отражаться от проводников. Им было практически обосновано образование стоячего излучения. Кроме того, Герц определил скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.

Изучение характеристик

Электромагнитные волны распространяются почти во всех средах. В пространстве, которое заполнено веществом, излучения могут в ряде случаев распределяться достаточно хорошо. Но при этом они несколько изменяют свое поведение.

Электромагнитные волны в вакууме определяются без затуханий. Они распределяются на любое, сколь угодно большое расстояние. К основным характеристикам волн относят поляризацию, частоту и длину. Описание свойств осуществляется в рамках электродинамики. Однако характеристиками излучений некоторых областей спектра занимаются более конкретные разделы физики. К ним, например, можно отнести оптику.

Исследованием жесткого электромагнитного излучения коротковолнового спектрального конца занимается раздел высоких энергий. С учетом современных представлений динамика перестает являться самостоятельной дисциплиной и объединяется со в одной теории.

Теории, применяемые при изучении свойств

Сегодня существуют различные методы, способствующие моделированию и исследованию проявлений и свойств колебаний. Наиболее фундаментальной из проверенных и завершенных теорий считается квантовая электродинамика. Из нее посредством тех или других упрощений становится возможным получить перечисленные ниже методики, которые широко используются в различных сферах.

Описание относительно низкочастотного излучения в макроскопической среде осуществляется при помощи классической электродинамики. Она основана на уравнениях Максвелла. При этом в прикладных применениях существуют упрощения. При оптическом изучении используется оптика. Волновая теория применяется в случаях, когда некоторые части оптической системы по размерам приближены к длинам волн. Квантовая оптика используется, когда существенными являются процессы рассеяния, поглощения фотонов.

Геометрическая оптическая теория - предельный случай, при котором допускается пренебрежение длиной волны. Также существует несколько прикладных и фундаментальных разделов. К ним, к примеру, относят астрофизику, биологию зрительного восприятия и фотосинтеза, фотохимию. Как классифицируются электромагнитные волны? Таблица, наглядно изображающая распределение на группы, представлена далее.

Классификация

Существуют частотные диапазоны электромагнитных волн. Между ними не существует резких переходов, иногда они перекрывают друг друга. Границы между ними достаточно условны. В связи с тем, что поток распределяется непрерывно, частота жестко связывается с длиной. Ниже представлены диапазоны электромагнитных волн.

Ультракороткие излучения принято разделять на микрометровые (субмиллиметровые), миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые. Если электромагнитного излучения меньше метра, то ее принято называть колебанием сверхвысокой частоты (СВЧ).

Виды электромагнитных волн

Выше представлены диапазоны электромагнитных волн. Какие существуют виды потоков? Группа включает в себя гамма- и рентгеновские лучи. При этом следует сказать, что ионизировать атомы способен и ультрафиолет, и даже видимый свет. Границы, в которых находятся гамма- и рентгеновские потоки, определяются весьма условно. В качестве общей ориентировки принимаются пределы 20 эВ - 0.1 Мэв. Гамма-потоки в узком смысле испускаются ядром, рентгеновские - электронной атомной оболочкой в процессе выбивания с низколежащих орбит электронов. Однако данная классификация неприменима к жестким излучениям, генерируемым без участия ядер и атомов.

Рентгеновские потоки формируются при замедлении заряженных быстрых частиц (протонов, электронов и прочих) и вследствие процессов, которые происходят внутри атомных электронных оболочек. Гамма-колебания возникают в результате процессов внутри ядер атомов и при превращении элементарных частиц.

Радиопотоки

За счет большого значения длин рассмотрение этих волн допускается осуществлять, не учитывая атомистическое строение среды. В качестве исключения выступают лишь самые короткие потоки, которые примыкают к инфракрасной области спектра. В радиодиапазоне квантовые свойства колебаний проявляются достаточно слабо. Тем не менее их необходимо учитывать, например, при анализе молекулярных стандартов времени и частоты во время охлаждения аппаратуры до температуры в несколько кельвинов.

Квантовые свойства принимаются во внимание и при описании генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Радиопоток формируется во время движения переменного тока по проводникам соответствующей частоты. А проходящая электромагнитная волна в пространстве возбуждает соответствующий ей. Данное свойство применяется при конструировании антенн в радиотехнике.

Видимые потоки

Ультрафиолетовое и инфракрасное видимое излучение составляет в широком смысле слова так называемый оптический участок спектра. Выделение этой области обуславливается не только близостью соответствующих зон, но и аналогичностью приборов, используемых при исследовании и разработанных преимущественно во время изучения видимого света. К ним, в частности, относятся зеркала и линзы для фокусирования излучений, дифракционные решетки, призмы и прочие.

Частоты оптических волн сравнимы с таковыми у молекул и атомов, а длины их - с межмолекулярными расстояниями и молекулярными размерами. Поэтому существенными в этой области становятся явления, которые обусловлены атомистической структурой вещества. По той же причине свет вместе с волновыми обладает и квантовыми свойствами.

Возникновение оптических потоков

Самым известным источником является Солнце. Поверхность звезды (фотосфера) имеет температуру 6000° по Кельвину и излучает ярко-белый свет. Наивысшее значение непрерывного спектра располагается в "зеленой" зоне - 550 нм. Там же находится максимум зрительной чувствительности. Колебания оптического диапазона возникают при нагревании тел. Инфракрасные потоки поэтому также именуют тепловыми.

Чем сильнее происходит нагревание тела, тем выше частота, где располагается максимум спектра. При определенном повышении температуры наблюдается каление (свечение в видимом диапазоне). При этом сначала появляется красный цвет, затем желтый и далее. Создание и регистрация оптических потоков может происходить в биологических и химических реакциях, одна из которых применяется в фотографии. Для большинства существ, живущих на Земле, в качестве источника энергии выступает фотосинтез. Эта биологическая реакция протекает в растениях под влиянием оптического солнечного излучения.

Особенности электромагнитных волн

Свойства среды и источник оказывают влияние на характеристики потоков. Так устанавливается, в частности, временная зависимость полей, которая определяет тип потока. К примеру, при изменении расстояния от вибратора (при увеличении) радиус кривизны становится больше. В результате образуется плоская электромагнитная волна. Взаимодействие с веществом также происходит по-разному.

Процессы поглощения и излучения потоков, как правило, можно описывать при помощи классических электродинамических соотношений. Для волн оптической области и для жестких лучей тем более следует принимать во внимание их квантовую природу.

Источники потоков

Несмотря на физическую разницу, везде - в радиоактивном веществе, телевизионном передатчике, лампе накаливания - электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. Существует два основных типа источников: микроскопические и макроскопические. В первых происходит скачкообразный переход заряженных частиц с одного на другой уровень внутри молекул либо атомов.

Микроскопические источники испускают рентгеновское, гамма, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое, а в ряде случаев и длинноволновое излучение. В качестве примера последнего можно привести линию спектра водорода, которая соответствует волне в 21 см. Это явление имеет особое значение в радиоастрономии.

Источники макроскопического типа представляют собой излучатели, в которых свободными электронами проводников совершаются периодические синхронные колебания. В системах данной категории происходит генерация потоков от миллиметровых до самых длинных (в линиях электропередач).

Структура и сила потоков

С ускорением и изменяющиеся периодически токи оказывают воздействие друг на друга с определенными силами. Направление и их величина находятся в зависимости от таких факторов, как размеры и конфигурация области, в которой содержатся токи и заряды, их относительное направление и величина. Существенное влияние оказывают и электрические характеристики конкретной среды, а также изменения концентрации зарядов и распределения токов источника.

В связи с общей сложностью постановки задачи представить закон сил в виде единой формулы нельзя. Структура, называемая электромагнитным полем и рассматриваемая при необходимости в качестве математического объекта, определяется распределением зарядов и токов. Оно, в свою очередь, создается заданным источником при учете граничных условий. Условия определяются формой зоны взаимодействия и характеристиками материала. Если речь ведется о неограниченном пространстве, указанные обстоятельства дополняются. В качестве особого дополнительного условия в таких случаях выступает условие излучения. За счет него гарантируется "правильность" поведения поля на бесконечности.

Хронология изучения

Ломоносова в некоторых своих положениях предвосхищает отдельные постулаты теории электромагнитного поля: "коловратное" (вращательное) движение частиц, "зыблющаяся" (волновая) теория света, ее общность с природой электричества и т. д. Инфракрасные потоки были обнаружены в 1800 году Гершелем (английским ученым), а в следующем, 1801-м, Риттером был описан ультрафиолет. Излучение более короткого, нежели ультрафиолетовое, диапазона было открыто Рентгеном в 1895-м году, 8 ноября. Впоследствии оно получило название рентгеновского.

Влияние электромагнитных волн изучалось многими учеными. Однако первым, кто исследовал возможности потоков, сферу их применения, стал Наркевич-Иодко (белорусский научный деятель). Он изучил свойства потоков применительно к практической медицине. Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900-м году. В этот же период Планк проводил теоретические исследования свойств черного тела. В процессе изучения им была открыта квантовость процесса. Его труд стал началом развития Впоследствии было опубликовано несколько работ Планка и Эйнштейна. Их исследования привели к формированию такого понятия, как фотон. Это, в свою очередь, положило начало созданию квантовой теории электромагнитных потоков. Ее развитие продолжилось в трудах ведущих научных деятелей ХХ столетия.

Дальнейшие исследования и работы по квантовой теории электромагнитного излучения и взаимодействия его с веществом привели в итоге к образованию квантовой электродинамики в том виде, в котором она существует и сегодня. Среди выдающихся ученых, занимавшихся изучением данного вопроса, следует назвать, кроме Эйнштейна и Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонагу, Швингера, Фейнмана.

Заключение

Значение физики в современном мире достаточно велико. Практически все, что применяется сегодня в жизни человека, появилось благодаря практическому использованию исследований великих ученых. Открытие электромагнитных волн и их изучение, в частности, привели к созданию обычных, а впоследствии и мобильных телефонов, радиопередатчиков. Особое значение практическое применение таких теоретических знаний имеет в области медицины, промышленности, техники.

Такое широкое использование объясняется количественным характером науки. Все физические эксперименты опираются на измерения, сравнение свойств изучаемых явлений с имеющимися эталонами. Именно для этой цели в рамках дисциплины развит комплекс измерительных приборов и единиц. Ряд закономерностей является общим для всех существующих материальных систем. Так, например, законы сохранения энергии считаются общими физическими законами.

Науку в целом называют во многих случаях фундаментальной. Это связано, прежде всего, с тем, что прочие дисциплины дают описания, которые, в свою очередь, подчиняются законам физики. Так, в химии изучаются атомы, вещества, образованные из них, и превращения. Но химические свойства тел определяются физическими характеристиками молекул и атомов. Эти свойства описывают такие разделы физики, как электромагнетизм, термодинамика и прочие.