SA Электромагнитная волна

Электромагнитные волны

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. шотландский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем. Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Максвелл предположил, что любое изменение напряженности вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля. Это опять приводит к появлению вихревого электрического поля, и т.д. Этот процесс может повторяться «до бесконечности», поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме.

• Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Согласно теории Максвелла переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.

• Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с течением времени с конечной скоростью, называется электромагнитной волной.

Рис. 1

<swf age="13" bgcolor="#F8F8FF" dummy="Dummy_pic1.jpg">Em-voln-1-02.swf</swf> Увеличить Flash

Экспериментально электромагнитные волны были открыты в 1887 г. немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Герц считал, что такие волны невозможно использовать для передачи информации. Однако 7 мая 1905 г. русский ученый Александр Степанович Попов осуществил первую в мире передачу информации электромагнитными волнами — радиопередачу и положил начало эры радиовещания.

Свойства электромагнитных волн

• Электромагнитные волны являются поперечными, поскольку скорость \(\vec{\upsilon}\) распространения волны, напряженность \(\vec{E}\) электрического поля и индукция \(\vec{B}\) магнитного поля волны взаимно перпендикулярны.

• Скорость электромагнитной волны в вакууме (воздухе):

\(c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_{0} \cdot \mu_{0}}},\)

где ε₀ — электрическая постоянная, μ₀ — магнитная постоянная.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3⋅10⁸ м/с является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе их скорость распространения меньше c и зависит от его электрических и магнитных свойств:

\(\upsilon = \dfrac{c}{\sqrt{\varepsilon \cdot \mu}},\)

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, табличная величина, μ — магнитная проницаемость среды, табличная величина.

• Распространение электромагнитных волн связано с переносом в пространстве энергии электромагнитного поля. Объемная плотность переносимой энергии равна

\(\omega = \dfrac{\varepsilon \cdot \varepsilon_{0} \cdot E^{2}}{2} + \dfrac{B^{2}}{2 \mu \cdot \mu_{0}},\)

где E — модуль вектора напряженности, B — модуль вектора магнитной индукции.

• Как и другие волны, электромагнитные волны могут поглощаться, отражаться, преломляться, испытывать интерференцию и дифракцию.

• Электромагнитная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее испускания электромагнитное поле волны становится не связанным с источником. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов.

Шкала электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн очень сильно зависят от их частоты. Спектр электромагнитного излучения удобно изображать с помощью шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 2.

Рис. 2

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) дается в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация электромагнитных волн

Виды излучения	Интервал частот, Гц	Интервал длин волн, м	Источники излучения
Низкочастотные волны	< 3·103	> 1⋅105	Генераторы переменного тока, электрические машины
Радиоволны	3·103 – 3·109	1·105 – 1·10–1	Колебательные контуры, вибраторы Герца
Микроволны	3·109 – 1·1012	1·10–1 – 1·10–4	Лазеры, полупроводниковые приборы
Инфракрасное излучение	1·1012 – 4·1014	1·10–4 – 7·10–7	Солнце, электролампы, лазеры, космическое излучение
Видимое излучение	4·1014 – 8·1014	7·10–7 – 4·10–7	Солнце, электролампы, люминесцентные лампы, лазеры
Ультрафиолетовое излучение	8·1014 – 1·1016	4·10–7 – 3·10–8	Солнце, космическое излучение, лазеры, электрические лампы
Рентгеновское излучение	1·1016 – 3·1020	3·10–8 – 1·10–12	Бетатроны, солнечная корона, небесные тела, рентгеновские трубки
Гамма-излучение	3·1020 – 3·1029	1·10–12 – 1·10–21	Космическое излучение, радиоактивные распады, бетатроны

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

• плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны);
• телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны);
• мобильная связь, радиолокация (микроволны);
• сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение);
• освещение, голография, лазеры (видимое излучение);
• люминесценция в газоразрядных лампах, закаливание живых организмов, лазеры (ультрафиолетовое излучение);
• рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение);
• дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, лазеры, военное дело (гамма-излучение).

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2009. — С. 57-58.