Kvant. Электромагнитные волны

А так ли хорошо знакомы вам электромагнитные волны? // Квант. — 1993. — № 3. — С. 56-57.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Описанные эксперименты, как, по крайней мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения.
Г.Герц

Как это ни удивительно, с этими волнами человечество было знакомо еще с незапамятных времен. Люди грелись, еще не называя тепловые лучи инфракрасными, загорали, не подозревая, что на их кожу воздействует ультрафиолетовое излучение. Да, в конце концов, они видели! И не только видели, но уже и экспериментировали со светом как с волнами.

Догадки о том, что все эти виды излучений имеют одну электромагнитную природу, постепенно выстраивались в научную теорию. Достижения своих великих предшественников, и прежде всего М. Фарадея, в 1865 году синтезировал Дж. Максвелл, предсказав, в том числе, и возможность передачи информации без проводов.

Ныне, когда прошло немногим более ста лет после создания максвелловской теории, электромагнитные волны доносят до нас не только радио- или телесигналы. Человек научился создавать и принимать излучения, соответствующие любой части необыкновенно широкой электромагнитной шкалы — от низкочастотных колебаний до гамма- излучения. Невидимые — микроволновые и ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские — лучи «озвучили» для нас неуловимые ранее «разговоры» атомов и молекул, звезд и галактик.

К сожалению, сегодня мы сможем «коснуться» лишь нескольких участков этой гигантской шкалы.

Вопросы и задачи

1. В непосредственной близости друг от друга находятся электрически заряженный шар и постоянный магнит. Существует ли в окружающем их пространстве электромагнитное поле?
2. Почему антенны автомобильных радиоприемников устанавливают, как правило, вертикально?
3. Почему при связи на коротких волнах образуются так называемые зоны молчания?
4. Почему станции длинно- и средневолнового диапазонов ночью можно принимать на гораздо большем расстоянии, чем днем?
5. Почему нельзя осуществлять радиосвязь с подводной лодкой, когда она находится под водой?
6. Для чего радиолокация впервые была применена в астрономии?
7. Почему устойчивый прием телевизионных сигналов возможен только в пределах прямой видимости?
8. Почему температура всех тел в неотапливаемом закрытом помещении становится одной и той же?
9. Испускает ли красные лучи кусок железа, нагретый до белого каления?
10. Почему стеклянная призма непригодна для получения спектров инфракрасного и ультрафиолетового излучений?
11. На фотографиях местности, сделанных с самолета, можно четко разделить маскировку под зелень и естественную зелень, неразличимые при непосредственном наблюдении. Почему?
12. Можно ли рентгеновские лучи, применяемые для обнаружения дефектов изделий, заменить гамма-лучами, испускаемыми радиоактивным элементом?

Микроопыт

Понаблюдайте за работой комнатного электрического обогревателя, состоящего из накаливаемой спирали и хорошо полированной вогнутой металлической поверхности. Как вы думаете, каково предназначение этой поверхности?

Любопытно, что...

... в соответствии с домаксвелловскими представлениями, электрическое и магнитное поля должны были исчезать при обращении тока в нуль (поскольку считалось, что изменяющееся электрическое поле не производит никакого эффекта).

... распространенное мнение о том, что Герц ставил свои опыты для подтверждения теории Максвелла, ошибочно. Первоначально Герц был скорее противником этой теории и признал ее лишь под давлением им же самим полученных доказательств.

... переход от электрической лампы накаливания с угольной нитью к со-временной лампе с вольфрамовой нитью дал возможность повысить температуру нити всего лишь на 400 К. Однако это увеличило долю энергии, приходящейся на излучение в видимой части спектра, более чем в 3 раза — от 0,5 % до 1,6 %.

... невидимые для человека инфракрасные и ультрафиолетовые лучи широко используются для ориентации в живой природе. Так, некоторые змеи чувствуют колебания температуры в одну десятую градуса на расстоянии в полметра. Пчелы же «видят» ультрафиолетовые лучи, указывающие на расположение нектарников в цветках.

... начало радиоастрономии связано с работами инженера американской компании «Bell» К.Янского, экспериментировавшего в 1931 году с вращающейся радиоантенной для выяснения помех коротковолновой радиотелефонной связи. Шум, который он исследовал, шел, по всей видимости, из центра нашей Галактики.

... параболические антенны современных радиотелескопов обладают невероятной чувствительностью — они способны уловить потоки энергии плотностью менее 10^–29 Вт•с/м².

... в рентгеновской астрономии для исследования самых жестких гамма-квантов используются... оптические телескопы. Дело в том, что при прохождении через атмосферу такие гамма- кванты вызывают появление электронов большой энергии, возбуждающих знаменитое «черенковское» излучение, которое в конце концов и регистрируется оптическим телескопом.

Что читать в «Кванте» об электромагнитных волнах

(публикации последних лет)

1. «Генрих Герц и электромагнитные волны» — 1988, № 1, c. 48;
2. «Со стороны виднее» — 1990, № 9, с. 2;
3. «Экспериментируем с ИК лучами» — 1990, № 10, с. 44;
4. «Спутниковое телевидение» — 1991, № 1,с. 4;
5. «Как излучать радиоволны?» 1991, № 11, с. 33;
6. «Грибы и рентгеновская астрономия» 1992, № 9, с. 21:
7. «Калейдоскоп «Кванта» — 1989, № 2, с. 40; 1990, № 2, 40; 1992, № 10, с. 40.

Ответы

1. Нет, поскольку в данном случае электрическое и магнитное поля постоянны и не связаны между собой.
2. Автомобильный приемник обычно принимает прямой сигнал передающей станции, в котором электрическое поле поляризовано вертикально. Чтобы мощность принимаемого сигнала была максимальной, приемная антенна тоже должна быть вертикальной.
3. Короткие волны распространяются на большие расстояния благодаря многократным отражениям от поверхности Земли и от проводящих слоев атмосферы (ионосферы). Что и приводит к возникновению на Земле зон молчания.
4. В отсутствие прямого солнечного излучения ионизация молекул в ионосфере уменьшается. Это увеличивает ее отражающую способность и способствует распространению электромагнитных волн на значительные расстояния.
5. Морская вода сильно поглощает электромагнитные волны.
6. Для определения расстояний до Луны и планет.
7. Ультракороткие волны, на которых осуществляются телепередачи, распространяются практически по прямой, потому что ионосфера для этих волн прозрачна, а наземные препятствия они почти не огибают.
8. Вследствие обмена энергией в результате теплового излучения.
9. Да, испускает.
10. Стекло поглощает как инфракрасные, так и ультрафиолетовые лучи.
11. Ультрафиолетовое излучение от естественной зелени и предметов маскировки различно, поэтому различно их действие на фотопленку.
12. Энергия рентгеновских квантов не может превышать энергию, выделяющуюся при торможении электронов.
13. Можно, так как длина волны гамма-лучей еще меньше.

Микроопыт.

Отражать инфракрасные лучи, испускаемые спиралью.

Материал подготовил А.Леонович