Шкала електромагнітних хвиль

Християн Гюйгенс, творець хвильової теорії світла Оле Ремер, великий фізик і астроном, обчислити швидкість світла по супутниках Юпітера Майкл Фарадей, першовідкривач електромагнітних хвиль в ефірі Карл Фрідріх Гаус, розробник теорії запізнілих потенціалу Густав Р. Кірхгоф, першовідкривач законів електротехніки Вільгельм Вебер, першовідкривач законів електромагнетизму Герман Гельмгольц, великий фізик, математик і філософ, засновник хвильової теорії Генріх Герц, першовідкривач фотоефекту і СВЧ-хвиль в ефірі, 1887 Петро Миколайович Лебедєв, перооткриватель тиску світла, 1900 Г. Нікітін, першовідкривач явища гравітаційного дрейфу світлового променя Роберт Гук, творець теорії пружності, мікроскопа, теорії гравітації Георг Ом, першовідкривач законів електричного струму Емілія Ленц, першовідкривач законів електромагнетизму Дж. Максвелл, творець теорії електромагнетизму ефіру Е. В. фон Сіменс, творець трансконтинентальних ліній зв'язку Н.А.Умов, першовідкривач формули Е = mc2, 1873 А. С. Попов, винахідник радіо - передачі сигналів через ефір, 1895 А.Г.Столетов, перший дослідник фотоефекту, 1888 Ст. Маринов, першовідкривач анізотропії світла і скалярного магнітного поля Ален Аспект, живий класик квантової фізики проф. Є.І. Штирков, автор експерименту по супутниковому аберації

до змісту ТОЕ ТЕЦ реальна фізика

Електромагнітні хвилі класифікуються за довжиною хвилі λ або пов'язаної з нею частотою хвилі f. Відзначимо також, що ці параметри характеризують не тільки хвильові, але і квантові властивості електромагнітного поля. Відповідно в першому випадку електромагнітна хвиля описується класичними законами, що вивчаються в цьому курсі.

Розглянемо поняття спектра електромагнітних хвиль. Спектром електромагнітних хвиль називається смуга частот електромагнітних хвиль, що існують в природі.

• Низькочастотні хвилі;
• радіохвилі;
• Інфрачервоне випромінювання;
• Світлове випромінювання;
• Ультрафіолетове випромінювання;
• Рентгенівське випромінювання;
• Гамма випромінювання.

Різні ділянки електромагнітного спектра відрізняються за способом випромінювання і прийому хвиль, що належать тієї або іншої ділянки спектра. З цієї причини, між різними ділянками електромагнітного спектра немає різких кордонів, але кожен діапазон обумовлений своїми особливостями і превалюванням своїх законів, які визначаються співвідношеннями лінійних масштабів.

Радіохвилі вивчає класична електродинаміка. Інфрачервоне світлове та ультрафіолетове випромінювання вивчає як класична оптика, так і квантова фізика. Рентгенівське і гамма випромінювання вивчається в квантовій і ядерної фізики.

Розглянемо спектр електромагнітних хвиль більш докладно.

низькочастотні хвилі

Низькочастотні хвилі являють собою електромагнітні хвилі, частота коливань яких не перевищує 100 КГц). Саме цей діапазон частот традиційно використовується в електротехніці. У промисловій електроенергетиці використовується частота 50 Гц, на якій здійснюється передача електричної енергії по лініях і перетворення напруг трансформаторними пристроями. В авіації та наземному транспорті часто використовується частота 400 Гц, яка дає переваги по вазі електричних машин і трансформаторів в 8 разів у порівнянні з частотою 50 Гц. В імпульсних джерелах живлення останніх поколінь використовуються частоти трансформування змінного струму одиниці і десятки кГц, що робить їх компактними, енергонасишеннимі.
Основною відмінністю низькочастотного діапазону від більш високих частот є падіння швидкості електромагнітних хвиль пропорційно кореню квадратному їх частоти від 300 тис. км / с при 100 кГц до приблизно 7 тис км / с при 50 Гц.

радіохвилі

Радіохвилі є електромагнітні хвилі, довжини яких перевищують 1 мм (частота менше 3 1011гц = 300 Ггц) і менше 3 км (вище 100 кГц).

Радіохвилі поділяються на:

1. Довгі хвилі в інтервалі довжин від 3 км до 300 м (частота в діапазоні 105 гц -106гц = 1 МГц);
2. Середні хвилі в інтервалі довжин від 300 м до 100 м (частота в діапазоні 106 гц -3 * 106Гц = 3МГц);
3. Короткі хвилі в інтервалі довжин хвиль від 100 м до 10м (частота в діапазоні 3106гц-3107гц = 30МГц);
4. Ультракороткі хвилі з довжиною хвилі менше 10м (частота більше 3107гц = 30МГц).
Ультракороткі хвилі в свою чергу діляться на:
а) метрові хвилі;
б) сантиметрові хвилі;
в) міліметрові хвилі;
Хвилі з довжиною хвилі менше, ніж 1 м (частота менше ніж 300МГц) називаються мікрохвилями або хвилями надвисоких частот (НВЧ - хвилі).
Через великих значень довжин хвиль радіодіапазону в порівнянні з розмірами атомів поширення радіохвиль можна розглядати без урахування атомістичної будови середовища, тобто феноменологически, як прийнято при побудові теорії Максвелла . Квантові властивості радіохвиль виявляються лише для самих коротких хвиль, що примикають до інфрачервоного ділянці спектра і при поширенні т.зв. надкоротких імпульсів з тривалістю близько 10-12сек- 10-15сек, порівнянної з часом коливань електронів усередині атомів і молекул.
Основною відмінністю радіохвиль від більш високих частот є інше термодинамічне співвідношення між довжиною хвилі носія хвиль ( ефіру ), Що дорівнює 1 мм (2,7 ° К), і електромагнітної хвилі, що розповсюджується в цьому середовищі.

Біологічна дія радиоволнового випромінювання

Страшний жертовний досвід застосування потужного радиоволнового випромінювання в радіолокаційної техніки показав специфічну дію радіохвиль в залежності від довжини хвилі (частоти).

На людський організм руйнівну дію надає не стільки середня, скільки пікова потужність випромінювання, при якій відбуваються незворотні явища в білкових структурах. Наприклад, потужність безперервного випромінювання магнетрона СВЧ-печі (мікрохвильовки), складова 1 КВатт, впливає лише на їжу в малому замкнутому (екранованому) обсязі печі, і майже безпечна для людини, що знаходиться поруч. Потужність радіолокаційної станції (РЛС, радара) в 1 КВатт середньої потужності, випромінюваної короткими імпульсами скважностью 1000: 1 (відношення періоду повторення до тривалості імпульсу) і, відповідно, імпульсною потужністю в 1 мВатт, дуже небезпечна для здоров'я і життя людини на відстані до сотень метрів від випромінювача. В останньому, звичайно, грає роль і спрямованість випромінювання РЛС, яка підкреслює руйнівну дію саме імпульсної, а не середньої потужності.

Вплив метрових хвиль

Метрові хвилі великої інтенсивності, що випромінюються імпульсними генераторами метрових радіолокаційних станцій (РЛС), що мають імпульсну потужність більш мегавата (таких, наприклад, як станція дальнього виявлення П-16) і сумірні з довжиною спинного мозку людини і тварин, а таже довжиною аксонів, порушують провідність цих структур, викликаючи діенцефальний синдром (СВЧ-хвороба). Остання призводить до швидкого розвитку (протягом від декількох місяців до декількох років) повного або часткового (в залежності від отриманої імпульсної дози випромінювання) необоротного паралічу кінцівок людини, а також порушення іннервації кишечника та інших внутрішніх органів.

Вплив дециметрових хвиль

Дециметрові хвилі порівнянні по довжині хвилі з кровоносними судинами, які охоплюють такі органи людини і тварин, як легені, печінка і нирки. Це одна з причин, чому вони викликають розвиток "доброякісних" пухлин (кіст) в цих органах. Розвиваючись на поверхні кровоносних судин, ці пухлини призводять до зупинки нормального кровообігу і порушення роботи органів. Якщо вчасно не видалити такі пухлини оперативним шляхом, то настає загибель організму. Дециметрові хвилі небезпечних рівнів інтенсивності випромінюють магнетрони таких РЛС, як мобільна РЛС ППО П-15, а також РЛС деяких повітряних суден.

Вплив сантиметрових хвиль

Потужні сантиметрові хвилі викликають таке захворювання, як лейкемію - "білокрів'я", а також інші форми злоякісних пухлин людини і тварин. Хвилі достатньою для виникнення цих захворювань інтенсивності генерують РЛС сантиметрового діапазону П-35, П-37 і практично всі РЛС повітряних суден.

Інфрачервоне і світлове випромінювання

Інфрачервоне, світлове, включаючи ультрафіолетове, випромінювання становлять оптичну область спектра електромагнітних хвиль в широкому сенсі цього слова. Близькість ділянок спектра перелічених хвиль зумовило схожість методів і приладів, що застосовуються для їх дослідження і практичного застосування. Історично для цих цілей застосовували лінзи, дифракційні решітки, призми, діафрагми, оптично активні речовини, що входять до складу різних оптичних приладів (интерферометров, поляризаторів, модуляторів та ін.).

З іншого боку випромінювання оптичної області спектра має загальні закономірності проходження різних середовищ, які можуть бути отримані за допомогою геометричної оптики, яка широко використовується для розрахунків і побудови, як оптичних приладів, так і каналів поширення оптичних сигналів.

Оптичний спектр займає діапазон довжин електромагнітних хвиль в інтервалі від 210-6м = 2мкм до 10-8м = 10Нм (по частоті от1.51014гц до 31016гц). Верхня межа оптичного діапазону визначається довгохвильової кордоном інфрачервоного діапазону, а нижня короткохвильового кордоном ультрафіолету (рис.2.14).

Мал. 1.14. Шкала електромагнітних хвиль

Ширина оптичного діапазону за частотою складає приблизно 18 октав, з яких на оптичний діапазон припадає приблизно одна октава ( ); на ультрафіолет - 5 октав ( ), На інфрачервоне випромінювання - 11 октав (

У оптичної частини спектра стають істотними явища, обумовлені атомістичним будовою речовини. З цієї причини поряд з хвильовими властивостями оптичного випромінювання проявляються квантові властивості.

Рентгенівське і гамма випромінювання

В області рентгенівського і гамма випромінювання на перший план виступають квантові властивості випромінювання.
Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні швидких заряджених частинок (електронів, протонів та ін.), А також в результаті процесів, що відбуваються всередині електронних оболонок атомів.

Рентгенівське випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною от50 нм до 10-3нм, що відповідає енергії квантів від 20ев до 1МеВ.
Гамма випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше 10-2нм, що відповідає енергії квантів більше 0.1Мев.

Електромагнітна природа світла

Світло являє собою видимий ділянку спектра електромагнітних хвиль, довжини хвиль яких займають інтервал від 0.4мкм до 0.76мкм. Кожній спектральної складової оптичного випромінювання може бути поставлений у відповідність певний колір. Забарвлення спектральних складових оптичного випромінювання визначається їх довжиною хвилі. Колір випромінювання змінюється в міру зменшення його довжини хвилі наступним чином: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Червоне світло, відповідний найбільшій довжині хвилі, визначає червону кордон спектра. Фіолетовий світло - відповідає фіолетовою кордоні.
Природне світло не забарвлений і представляє суперпозицію електромагнітних хвиль з усього видимого спектру. Природне світло з'являється в результаті випускання електромагнітних хвиль збудженими атомами. Характер порушення може бути різним: теплової, хімічний, електромагнітний і ін. В результаті порушення атоми випромінюють хаотичним чином електромагнітні хвилі приблизно протягом 10-8сек. Оскільки енергетичний спектр збудження атомів досить широкий, то випромінюються електромагнітні хвилі з усього видимого спектру, початкова фаза, напрямок і поляризація яких має випадковий характер. З цієї причини природне світло не поляризоване. Це означає, що "щільність" спектральних складових електромагнітні хвилі природного світла, що мають взаємно перпендикулярні поляризації однаково.






Традиційно оптичні явища розглядаються за допомогою променів. Опис оптичних явищ за допомогою променів називається геометрооптіческім. Правила знаходження траєкторій променів, розроблені в геометричній оптиці, широко використовуються на практиці для аналізу оптичних явищ і при побудові різних оптичних приладів.


Таким чином, в однорідних ізотропних середовищах промені перпендикулярні відповідним хвильовому фронту електромагнітної хвилі.
Для прикладу розглянемо промені, що випускаються точковим монохроматичним джерелом світла. З точки зору геометричної оптики з точки джерела виходить безліч променів в радіальному напрямку. З позиції електромагнітної суті світла з точки джерела поширюється сферична електромагнітна хвиля. На чималій відстані від джерела кривизною хвильового фронту можна знехтувати, вважаючи локально сферичну хвилю плоскою. Розбиваючи поверхню хвильового фронту на велику кількість локально плоских ділянок, можна через центр кожної ділянки провести нормаль, уздовж якого поширюється плоска хвиля, тобто в геометрооптіческой інтерпретації промінь. Таким чином, обидва підходи дають однакову опис розглянутого прикладу.
Основне завдання геометричної оптики полягає в знаходженні напрямку променя (траєкторії). Рівняння траєкторії знаходиться після рішення варіаційної задачі знаходження мінімуму т.зв. дії на шуканих траєкторіях. Не вдаючись в подробиці суворої формулювання і вирішення зазначеного завдання, можна вважати, що промені являють собою траєкторії з найменшою сумарною оптичною довжиною. Дане твердження є наслідком принципу Ферма.

Варіаційний підхід визначення траєкторії променів може бути застосований і до неоднорідним середах, тобто таких середовищ, у яких показник заломлення є функція координат точок середовища. Якщо описати функцією форму поверхні хвильового фронту в неоднорідному середовищі, то її можна знайти виходячи з рішення рівняння в приватних похідних, відомого як рівняння ейконалу, а в аналітичній механіці як рівняння Гамільтона - Якобі:

Таким чином, математичну основу геометрооптіческого наближення електромагнітної теорії складають різні методи визначення полів електромагнітних хвиль на променях, виходячи з рівняння ейконалу або будь - яким іншим способом. Геометрооптіческое наближення широко використовується на практиці в радіоелектроніці для розрахунку т.зв. квазіоптичних систем.

На закінчення зазначимо, що можливість описати світ одночасно і з хвильових позицій шляхом вирішення рівнянь Максвелла і за допомогою променів, напрямок яких визначається з рівнянь Гамільтона - Якобі, що описують рух частинок, є одним із проявів удаваного дуалізму світла, що призвів, як відомо, до формулювання логічно суперечливих принципів квантової механіки.

Насправді ніякого дуалізму в природі електромагнітних хвиль немає. Як показав Макс Планк в 1900 році в своїй класичній праці "Про нормальному спектрі випромінювання" , Електромагнітні хвилі представляють собою окремі квантовані коливання частотою v і енергією E = hv, де h = const, в ефірі . Останній є сверхтекучая среда, що має стабільне властивість розривності мірою h - постійна Планка. При впливі на ефір енергією, що перевищує hv під час випромінювання відбувається утворення квантованного "вихору". Точно таке ж явище спостерігається у всіх надплинних середовищах і освіту в них фононів - квантів звукового випромінювання.

За "copy-and-paste" суміщення відкриття Макса Планка 1900 року до відкритого ще в 1887 році Генріхом Герцем фотоефекту, в 1921 році Нобелівський комітет присудив премію Альберту Ейнштейну