Електромагнітні хвилі
фізика
Підручник для 9 класу
З створеної Максвеллом теорії можна зробити висновок про те, що швидкозмінних електромагнітне поле повинно поширюватися в просторі у вигляді поперечних хвиль. Причому ці хвилі можуть існувати не тільки в речовині, а й у вакуумі. Спираючись виключно на теоретичні висновки, Максвелл визначив також, що електромагнітні хвилі повинні поширюватися в вакуумі зі швидкістю 300 000 км / с, т. Е. Зі швидкістю світла (швидкість світла, як відомо, була виміряна задовго до цього).
Ви вже знаєте, що в механічних хвилях, наприклад в звукових, енергія передається від одних частинок середовища до інших. При цьому частинки приходять в коливальний рух, т. Е. Їх зміщення від положення рівноваги періодично змінюється. Для передачі звуку обов'язково потрібна матеріальна середу.
У зв'язку з тим, що електромагнітні хвилі поширюються в речовині і в вакуумі, виникає питання: що робить коливання в електромагнітній хвилі, т. Е. Які фізичні величини періодично змінюються в ній?- Електромагнітна хвиля являє собою систему породжують один одного і поширюються в просторі змінних електричного і магнітного полів
Нагадаємо, що кількісною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції В.
Основною кількісною характеристикою електричного поля є векторна величина, яка називається напруженістю електричного поля, яка позначається символом Е. Напруженість Е електричного поля в будь-якої його точки дорівнює відношенню сили F, з якою поле діє на точковий позитивний заряд, поміщений в цю точку, до значення цього заряду q.
Коли говорять, що магнітне і електричне поля змінюються, то це означає, що змінюються відповідно вектор індукції магнітного поля В і вектор напруженості електричного поля Е.
У електромагнітної хвилі саме вектори В і Е періодично змінюються по модулю і по напрямку, т. Е. Коливаються.
Мал. 135. Модель електромагнітної хвилі: Е - напруженість електричного поля, В - індукція магнітного поля; с - швидкість хвилі
На малюнку 135 зображено вектор напруженості електричного поля Е і вектор індукції магнітного поля В електромагнітної хвилі в один і той же момент часу. Це як би «моментальний знімок» хвилі, що розповсюджується в напрямку осі Z. Площина, проведена через вектори В і Е в будь-якій точці, перпендикулярна до напрямку поширення хвилі, що говорить про поперечности хвилі.
За час, що дорівнює періоду коливань, хвиля переміститься вздовж осі Z на відстань, яка дорівнює довжині хвилі. Для електромагнітних хвиль справедливі ті ж співвідношення між довжиною хвилі λ, її швидкістю с, періодом Т і частотою v коливань, що і для механічних хвиль:
Максвелл не тільки науково обгрунтував можливість існування електромагнітних хвиль, але і вказав, що для створення інтенсивної електромагнітної хвилі, яку можна було б зареєструвати приладами на деякій відстані від джерела, необхідно, щоб коливання векторів Е і В відбувалися з досить високою частотою (близько 100 000 коливань в секунду і більше).
Генріх Герц (1857-1894)
Німецький фізик, один з основоположників електродинаміки. Експериментально довів існування електромагнітних хвиль
У 1888 р німецькому вченому Генріху Герцу вдалося отримати і зареєструвати електромагнітні хвилі. В результаті дослідів Герца були також виявлені всі властивості електромагнітних хвиль, теоретично передбачені Максвеллом.
Все навколишнє нас простір буквально пронизане електромагнітними хвилями різних частот. В даний час всі електромагнітні хвилі розділені по довжинах хвиль (і відповідно по частотах) на шість основних діапазонів, які представлені на малюнку 136.
Мал. 136. Шкала електромагнітних хвиль
Межі діапазонів досить умовні, тому, як видно з малюнка, в більшості випадків сусідні діапазони кілька перекривають один одного.
Електромагнітні хвилі різних частот відрізняються один від одного проникаючу здатність, швидкістю поширення в речовині, видимістю, кольоровістю і деякими іншими властивостями.
Вони можуть здійснювати як позитивний, так і негативний вплив на живі організми. Наприклад, інфрачервоне, т. Е. Теплове, випромінювання грає визначальну роль в підтримці життя на Землі, оскільки люди, тварини і рослини можуть існувати і нормально функціонувати тільки за певних температурах.
Видиме світло дає нам інформацію про навколишній світ і можливість орієнтуватися в просторі. Він необхідний також для протікання процесу фотосинтезу в рослинах, в результаті чого виділяється кисень, необхідний для дихання живих організмів.
Вплив на людину ультрафіолетового випромінювання (що викликає загар) у великій мірі визначається інтенсивністю і тривалістю опромінення. У допустимих дозах воно підвищує опірність організму людини до різних захворювань, зокрема інфекційних. Перевищення припустимої дози може викликати опіки шкіри, розвиток онкологічних захворювань, ослаблення імунітету, пошкодження сітківки очей. Очі можна захистити за допомогою скляних очок (як темних, так і прозорих, але не пластикових), так як скло поглинає значну частину ультрафіолетових променів.
Ви знайомі і з рентгенівським випромінюванням, зокрема з його широким застосуванням в медицині - флюорографічне обстеження або рентгенівський знімок напевно робили кожному з вас. Але занадто великі дози або часті обстеження за допомогою рентгенівських променів можуть викликати серйозні захворювання.
Отримання електромагнітних хвиль має величезне наукове і практичне значення. У цьому можна переконатися на прикладі всього лише одного діапазону - радіохвиль, що застосовуються для телевізійної та радіозв'язку, в радіолокації (т. Е. Для виявлення об'єктів і вимірювання відстані до них), в радіоастрономії і інших сферах діяльності.
- Які висновки щодо електромагнітних хвиль можна зробити з теорії Максвелла?
- Які фізичні величини періодично змінюються в електромагнітній хвилі?
- Які співвідношення між довжиною хвилі, її швидкістю, періодом і частотою коливань справедливі для електромагнітних хвиль?
- За якої умови хвиля буде досить інтенсивної для того, щоб її можна було зареєструвати?
- Коли і ким були вперше отримані електромагнітні хвилі?
- Наведіть приклади застосування різних діапазонів електромагнітних хвиль і їх впливу на живі організми.
Вправа
- На якій частоті суду передають сигнал лиха SOS, якщо за міжнародною угодою довжина радіохвилі повинна бути 600 м?
- Радіосигнал, посланий з Землі на Місяць, може відбитися від поверхні Місяця і повернутися на Землю. Запропонуйте спосіб вимірювання відстані між Землею і Місяцем за допомогою радіосигналу.