Электромагнитное излучение

Механические волны

В отличие от электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме, механическим волнам требуется среда для распространения. На самом деле, это разрушения этого центра, состоящие из периодических изменений в расположении точек этого центра. И так, примерами механических волн могут быть акустические, морские или сейсмические волны.

Акустические волны

Эти волны распространяются во всех материальных центрах и являются продольными волнами. Эти волны являются периодическими изменениями давления этой среды. Скорость акустической волны напрямую зависит от типа среды, в которой они расходятся, а в случае анизотропных центров — также от направления их распространения. В случае воздуха при 20 C. Эта скорость составляет 340 м / с и кратко называется скорость звука. В случае воды эта скорость выше и составляет 1500 м / с, а когда речь идет о твердых телах, она составляет даже несколько тысяч м / с. Акустические волны также можно разделить на несколько типов из-за значения частоты. И поэтому мы дифференцируем так называемые ультразвук, инфразвук, гиперзвуки и обычные звуки.

Сейсмические волны

Это волны, которые распространяются на Земле. Это тип упругих волн, возникающих как в результате сейсмической активности нашей планеты, так и в результате взрывов. Разобьем сейсмические волны на объемные и поверхностные. Объемные волны, как следует из названия, расходятся во внутренней части Земли. Однако поверхностные волны, как нетрудно догадаться, распространяются по поверхности нашей планеты. В свою очередь объемные волны можно разделить на объемные продольные волны P — первичные и поперечные волны S — вторичные. Во время землетрясения, когда измеряется его сила, поперечная объемная волна P всегда приходит сначала к измерительным приборам, а затем к продольной поперечной волне S. В конце концов, эти волны также испытывают отражение и преломление на границе между двумя центрами. Их скорости распространения очень сильно зависят от свойств среды, от того, насколько она упругая. Поэтому скорость волн P и S зависит от глубины, на которой они расходятся. В горизонтальном направлении эти изменения довольно малы. S-волны, поскольку они являются поперечными волнами, не способны распространяться в жидком ядре Земли. Что касается поверхностных волн, то они характеризуются гораздо большими амплитудами, чем объемные волны. Однако они не могут проникать в глубокие глубины, поскольку амплитуда их колебаний экспоненциально уменьшается с увеличением глубины. В случае землетрясения наибольший ущерб наносят поверхностные волны и объемные волны S. Во время землетрясения с использованием соответствующих сейсмографов и акселерометров анализируются возникающие сейсмические волны,

Морские волны

Морские волны — это волны, которые создаются в морях и океанах. Эти волны также можно разделить на два типа: поверхностные волны и объемные волны. Водная рябь возникает в результате колебательного движения частиц воды. Поверхностные волны можно разделить на несколько типов из-за силы, которая их вызывает.

Морские и ветровые волны создаются в результате ветра на поверхности воды. Когда начинает дуть ветер, изначально на поверхности воды образуются небольшие волны, напоминающие морщины, их называют капиллярными волнами. Со временем эти волны начинают подниматься и так называемые гравитационные волны. Когда ветер дует со скоростью 6 — 7 м / с, на гребнях волн начинает появляться пена. По мере увеличения скорости ветра волны поднимаются и движутся быстрее. Когда ветер достигает скорости 20 м / с в море, создается шторм, во время которого волны переполняются, и их высота может достигать нескольких метров (известны случаи ветровых волн с высотой 16-17 м). Когда после периода действия такого сильного ветра наступает время, когда ветер успокаивается, волны также начинают падать и переходить в мирное качательное движение.

Источники электромагнитного излучения.

Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Системы такого типа генерируют излучение в диапазоне от миллиметровых до самых длинных волн (в линиях электропередачи).

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

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

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

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

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

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и .

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

Виды энергии:
	Механическая	Потенциальная Кинетическая
‹›	Внутренняя
	Электромагнитная	Электрическая Магнитная
	Химическая
	Ядерная
G{\displaystyle G}	Гравитационная
∅{\displaystyle \emptyset }	Вакуума
Гипотетические:
	Тёмная
См.также:Закон сохранения энергии

электромагнитные волны в свободном пространстве — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

Электродинамика Максвелла

А началось все с того, что ученый Максвелл в далеком 1865 году, опираясь на работы Фарадея, вывел уравнение электромагнитного поля. Сам Максвелл считал, что его уравнения описывали кручение и натяжение волн в эфире. Через двадцать три года Герц экспериментально создал такие возмущения в среде, причем удалось не только согласовать их с уравнениями электродинамики, но и получить законы, управляющие распространением этих возмущений. Возникла любопытная тенденция объявлять любые возмущения, которые имеют электромагнитный характер, волнами Герца. Однако эти излучения – не единственный способ осуществления передачи энергии.

Что такое электромагнитное излучение?

Электромагнитное излучение – это колебания электрического и магнитного полей. Скорость распространения в вакууме равна скорости света (около 300 000 км/с). В других средах скорость распространения излучения меньше.

Электромагнитное излучение классифицируется по частотным диапазонам. Границы между диапазонами весьма условны, в них нет резких переходов.

Видимый свет. Это самый узкий диапазон во всем спектре. Человек может воспринимать только его. Видимый свет сочетает в себе цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. За красным цветом находится инфракрасное излучение, за фиолетовым – ультрафиолетовое, но они уже не различимы человеческим глазом.

Волны видимого света очень короткие и высокочастотные. Длина таких волн – одна миллиардная часть метра или один миллиард нанометров. Видимый свет от Солнца – своеобразный коктейль, в котором смешаны три основных цвета: красный, желтый и синий.

Ультрафиолетовое излучение – часть спектра между видимым светом и рентгеном. Ультрафиолетовое излучение используется для создания световых эффектов на сцене театра, дискотеках; банкноты некоторых стран содержат защитные элементы, видимые только при ультрафиолете.
Инфракрасное излучение является частью спектра между видимым светом и короткими радиоволнами. Инфракрасное излучение – это скорее тепло, чем свет: каждое нагретое твердое или жидкое тело испускает непрерывный инфракрасный спектр. Чем выше температура нагревания, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.
Рентгеновское излучение (рентген). Волны рентгеновского излучения обладают свойством проходить сквозь вещество и не поглощаться слишком сильно. Видимый свет такой способностью не обладает. Благодаря рентгену некоторые кристаллы могут светиться.
Гамма-излучение – это наиболее короткие электромагнитные волны, которые проходят сквозь вещество без поглощения: они могут преодолеть однометровую стену из бетона и свинцовую преграду толщиной в несколько сантиметров.

История исследований

Первые волновые теории света (их можно считать старейшими вариантами теорий электромагнитного излучения) восходят по меньшей мере к временам Гюйгенса, когда они получили уже и заметное количественное развитие. В 1678 году Гюйгенс выпустил «Трактат о свете» (фр. ) — набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем (принцип Гюйгенса — Френеля) и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции. В —1670-е годы существенный теоретический и экспериментальный вклад в физическую теорию света внесли также Ньютон и Гук.
Многие положения корпускулярно-кинетической теории М. В. Ломоносова (—1750-е годы) предвосхищают постулаты электромагнитной теории: вращательное («коловратное») движение частиц как прообраз электронного облака, волновая («зыблющаяся») природа света, общность её с природой электричества, отличие от теплового излучения и т. д.
В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.
В 1801 году Риттер открыл ультрафиолетовое излучение.
Существование электромагнитных волн предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.
В 1865 году английский физик Дж. Максвелл завершил построение теории электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, строго оформив её математически, и на её основе получив твёрдое обоснование существования электромагнитных волн, а также найдя скорость их распространения (неплохо совпадавшую с известным тогда значением скорости света), что позволило ему обосновать и предположение о том, что свет является электромагнитной волной.
В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.
8 ноября 1895 года Рентген открыл электромагнитное излучение (получившее впоследствии название рентгеновского) более коротковолнового диапазона, чем ультрафиолетовое.
В конце XIX столетия белорусский ученый, профессор Я. Наркевич-Иодко впервые в мире исследовал возможности использования электромагнитного излучения газоразрядной плазмы для электрографии (визуализации) живых организмов, то есть для нужд практической медицины.
В 1900 году Поль Виллар при изучении излучения радия открыл гамма-излучение.
В 1900 году Планк при теоретическом исследовании проблемы излучения абсолютно чёрного тела открывает квантованность процесса электромагнитного излучения. Эта работа стала началом квантовой физики.
Начиная с 1905 года Эйнштейн, а затем и Планк публикуют ряд работ, приведших к формированию понятия фотона, что стало началом создания квантовой теории электромагнитного излучения.
Дальнейшие работы по квантовой теории излучения и его взаимодействия с веществом, приведшие в итоге к формированию квантовой электродинамики в её современном виде, принадлежат ряду ведущих физиков середины XX века, среди которых можно выделить, применительно именно к вопросу квантования электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом, кроме Планка и Эйнштейна, Бозе, Бора, Гейзенберга, де Бройля, Дирака, Фейнмана, Швингера, Томонагу.

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического E(t){\displaystyle {\mathit {E}}(t)} и магнитного H(t){\displaystyle {\mathit {H}}(t)} полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

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

Влияние электромагнитных волн на здоровье человека

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

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

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

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

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.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение, которое также называют ультрафиолетовым светом, представляет собой электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне от 400 нм до 10 нм. Это излучение в свою очередь делится на ультрафиолетовое излучение, близкое к длинам волн в диапазоне 400 нм до 190 нм и дальний ультрафиолет — 190 нм до 10 нм. Оно излучается телами с достаточно высокой температурой. Даже тела с температурой 3000 К посылают небольшое количество этого излучения, и чем выше температура, тем выше интенсивность. Основным источником ультрафиолетового излучения является Солнце с температурой поверхности 6000 К. Однако в настоящее время мы уже знаем много технических устройств, которые также способны излучать ультрафиолетовое излучение. Примерами таких устройств являются различные типы ламп. Ультрафиолет оказывает широкое влияние на живые организмы, поскольку характеризуется сильными фотохимическими свойствами. В случае ближнего ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 300 нм оно уже смертельно для живых организмов, поскольку вызывает ионизацию в клетках. Естественный озоновый слой, который поглощает ультрафиолет ниже длины волны 290 нм, защищает нас от этого вида излучения. Остальная часть ближнего ультрафиолетового диапазона, а также ультрафиолет, поглощаются воздухом в атмосфере. Ультрафиолетовое излучение также можно разделить на три типа из-за его воздействия на кожу человека. Различают ультрафиолет:

УФ-А — 320-400 нм.

УФ-В — 290-320 нм.

УФ-С — 230-290 нм.

Что касается ультрафиолета с наибольшей длиной волны, или УФ-А, то он не вреден для человека, если его дозы не являются чрезмерными. Более того, этот диапазон излучения используется в клинических целях при лечении различных кожных заболеваний, таких как псориаз. Он также используется для стимулирования производства витаминов D у пациентов, которые не могут нормально принимать его в организм. Ультрафиолетовое излучение с немного более короткими длинами волн, то есть УФ-В, может уже вызывать покраснение кожи, и оно отвечает за загар нашего тела. Это не опасно, если используется в умеренных количествах, но слишком длительное воздействие может привести к образованию пузырей на нашей коже. Ультрафиолет с наименьшей длиной волны, или УФ-С, уже очень вреден для человека. Это может привести к раку кожи. Обычно он задерживается озоновым слоем, но в местах, где этот слой поврежден из-за загрязнения воздуха, он может проникать и достигать поверхности Земли. Кроме того, ультрафиолетовое излучение, кроме того, как уже упоминалось, используется в медицине, они также используются в фармацевтике, в химических исследованиях или в пищевой промышленности. В целом, излучение, которое достигает поверхности нашей планеты, не вредно.