Шкала электромагнитных волн кто придумал

Шкала электромагнитных излучений

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Но их частота и длина различаются.

Принцип построения

Электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Длина волны обратно пропорциональна частоте и вычисляется через скорость света:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Границы между выделенными диапазонами условны, поэтому они могут перекрываться. Радио- и гамма-волны, расположенные по краям спектра, в принципе не имеют четких границ.

Кто создал шкалу

Электромагнитное взаимодействие между предметами подчиняется электромагнитной теории, базирующейся на уравнениях шотландского физика Джеймса Кларка Максвелла. В 1864 году тот построил теорию электромагнитных излучений, математически доказав существование колебаний в электрических и магнитных полях, скорость распространения которых совпадает со скоростью света. Так как до этого Максвелл занимался теорией цвета и цветным зрением, он описал видимый свет, как волны, соответствующие семи цветам радуги.

Максвелл высчитал длину волны каждого из основных цветов и предположил, что у спектра электромагнитных волн нет границ, они могут быть бесконечно малыми и бесконечно огромными. Невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи на тот момент уже были известны.

В 1888 году немецкий физик Генрих Герц открыл радиоволны и экспериментально доказал, что их природа тождественна природе световых волн, различается только длина волны. В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. В 1900 году, исследуя радий, Поль Виллар обнаружил гамма-лучи.

Что образует шкалу

Диапазон по длине волн

Вдоль шкалы слева направо увеличивается длина волны. Каждая метка отличается от соседней в десять раз.

Диапазон по энергии квантов

Кроме частоты и длины, электромагнитная волна имеет и третью характеристику — энергию кванта (или фотона). Она пропорциональна частоте и высчитывается по формуле:

где \(h\) — постоянная Планка, а греческая буква «ню» — частота.

Виды ЭМ волн

Видимая зона

Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. У каждого цвета собственная длина волны.

Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Лучи света обычно имеют сложный спектральный состав, в который могут входить ультрафиолетовые и инфракрасные волны. Монохроматические излучения, смешиваясь, образуют оттенки, не относящиеся к семи основным цветам, например, розовый или бежевый.

Невидимая зона

Существование невидимых тепловых лучей предсказал французский физик Пьер Прево еще в 1791 году. В 1800 году они были обнаружены экспериментально при изучении температуры разных цветов и названы инфракрасными. Нижнюю часть инфракрасного спектра, наиболее удаленную от видимых лучей, называют микроволнами. Средняя часть спектра — излучение горячих тел, в том числе тела человека. Самые короткие инфракрасные волны схожи по своему поведению с лучами видимого света и могут быть обнаружены чувствительным фотооборудованием.

В 1801 году открыли лучи вне видимого спектра, схожие с фиолетовыми. Их фотоны обладают таким количеством энергии, что способны ионизировать атомы и тем самым вызывать химические процессы. Короткие ультрафиолетовые волны близки к рентгеновским и могут повреждать живые ткани. Волны средней длины не относятся к ионизирующим, но при длительном воздействии разрушают химические связи, например, вызывают рак кожи.

Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: длина волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра. Излучение возникает при столкновении электронов и поверхности анода на большой скорости, когда атомы анода меняют внутреннюю структуру. Частота зависит от материала анода; излучение делят на мягкое, с большей длиной волны и меньшей частотой, и жесткое. Рентгеновские лучи могут проникать сквозь тело человека, поэтому используются в медицинской диагностике.

При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение, которое также обозначают греческой буквой \gamma . Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле:

где \(h\) — постоянная Планка.

Это самые короткие волны. Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и так интенсивно воздействуют на живые клетки, что могут останавливать их атипичное деление при онкологии.

Радиоволны почти не задерживаются атмосферой, поэтому их удобно использовать для передачи закодированной информации. Они значительно различаются по длине: от нескольких сантиметров до тысяч километров. Длинные волны отражаются от ионосферы планеты и таким образом могут огибать земной шар. Также их используют для изучения астрономических объектов.

Источники волн

Можно разделить источники на два типа — микроскопические и макроскопические. Если заряд, колеблющийся с определенной частотой, перемещается внутри атомов и молекул, источник считается микроскопическим. Искусственно созданные источники, в которых колеблются электроны проводников — макроскопические.

Где применяется шкала ЭМ излучений

Радиолюбителям и пользователям раций важно знать допустимые для переговоров диапазоны, а также полосы военных и аварийных частот, чтобы не занимать чужие выделенные каналы. Собирая собственный приемник или передатчик, нужно заранее определиться, на какие частоты он будет настроен, чтобы использовать соответствующие детали.

Космическое инфракрасное излучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять классы, возраст звезд, химический состав их атмосфер. Например, протозвезды, еще не достигшие главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Расселла, интенсивно излучают энергию в инфракрасном спектре, но при этом полностью лишены теплового излучения.

Применение инфракрасной аппаратуры космического базирования позволяет решать практические задачи геологического картирования, изучать вулканы и геотермальные источники. Метеорологи, измеряя собственное инфракрасное излучение облачных образований, изучают свойства разных слоев атмосферы.

С помощью шкалы энергий излучения можно идентифицировать гамма-радиоактивные вещества, измеряя с помощью специальной установки поглощение испускаемых ими волн. УФ-спектроскопия и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей применяются в прикладной химии для идентификации органических соединений.

Практическое применение шкалы в решении задач

Задача 1

На какой из аварийных частот судну лучше всего передавать сигнал бедствия, если оно находится в 230 км от берега?

Решение

Сверяемся с таблицей:

Переводим километры в морские мили (nm). 1 км = 0,54 nm, соответственно, 230 км = 124,19 nm. Судно находится в районе А2, в зоне действия береговой ПВ радиостанции, так что подавать сигналы бедствия должно по относящимся к ней частотам.

Задача 2

Изомерные 1,3-пентадиен и 1,4-пентадиен имеют в УФ-спектрах максимумы поглощения при 165 нм (спектр А) и 225 нм (спектр Б). Какому веществу принадлежит каждый спектр?

Решение

Двойные связи в 1,3-пентадиене (СН2=СН-СН=СН-СН3) сопряжены, а в 1,4-пентадиене (СН2=СН-СН2-СН=CH2) изолированы. Сопряженные системы поглощают свет в более длинноволновой области, чем системы с изолированными двойными связями. Поэтому спектр Б принадлежит 1,3-пентадиену, а спектр А — 1,4-пентадиену.

Насколько полезной была для вас статья?

Экспериментальное открытие электромагнитных волн

Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и выявляемые как осциллирующий ток в этой цепи. С 1847 г. Герман фон Гельмгольц доказал, что в некоторых случаях разряд конденсатора должен носить колебательный характер. Вильям Томсон в 1853 г. дал математическую формулу, устанавливающую, при каких параметрах компонентов цепи в ней получаются колебания.

Работая с колебательными цепями такого вида, Генрих Герц, молодой и тогда неизвестный немец, добился успеха в генерировании и обнаружении электромагнитных волн.

Генрих Герц (1857—1894) родился в Гамбурге. Он был сыном прокурора, ставшего позднее сенатором. Будучи блестящим студентом, он в равной степени преуспевал и в гуманитарных дисциплинах, и в науках. Также он показал большие способности в проектировании и создании научной аппаратуры. Предполагалось, что молодой Герц последует традициям семьи в области права, но с десяти лет он стал интересоваться естественными науками и после обучения в ряде школ решил изучать инженерное дело в Дрезденском политехникуме в 1876 г. Когда ему исполнилось 20, он был призван в армию. После службы он решил закончить свое инженерное обучение в Мюнхене, но вскоре оставил инженерное поприще ради физики. В 1878 г. он поступил в Берлинский университет для работы под руководством Гельмгольца и Кирхгофа и в 1880 г. получил докторскую степень.

Герман фон Гельмгольц переехал в Берлин в 1870 г. из Гейдельберга, сменив кафедру физиологии на кафедру физики. В течение многих лет Гельмгольц интересовался физическими свойствами организмов и биологическими процессами, в частности процессами ощущений. Эти изучения убедили его в том, что полное описание процессов, касающихся нервной системы, требует понимания обмена энергией в живых телах, и важную роль играет термодинамика и электричество. Здесь уже были важные достижения, включающие закон сохранения энергии. Когда он приехал в Берлин, то начал серию исследований в области электричества, и Герц, который появился в 1878 г., принял участия в этом деле. Ему посчастливилось обратить на себя внимание Гельмгольца, который, после получения Герцем ученой степени, назначил его своим ассистентом. В 1883 г. Герц стал по рекомендации Кирхгофа приват-доцентом Киле, а в 1885 г. стал профессором физики в Карлсруе. Для этого университета требовался кто-нибудь, кто мог бы преподавать электрические технологии. В то время последние успехи в передаче энергии, электрический свет и другие применения электричества сделали электричество принципиальной технологией. Работы Герца, уже сделанные в этой области, а также поддержка Гельмгольцем помогли ему получить это место. Герц скончался очень молодым от хронического заражения крови в тот же год, в который скончался его покровитель Гельмгольц.

Как часто случается, Герц пришел к открытию электромагнитных волн, первоначально не стремясь их обнаружить.

В 1879 г. Берлинская Академия наук установила награду за исследование проблемы экспериментально установить соотношение между изменяющимися электрическими полями и откликами материалов на эти поля (поляризуемость). В это время Герц занимался электромагнитными исследованиями в Берлинском Физико-техническом институте и его наставник Гельмгольц привлек его внимание к этой проблеме. Первоначально Герц подошел к изучению электрических колебаний, используя для их получения лейденскую банку (вид электрического конденсатора), но вскоре пришел к заключению, что только эффекты, «лежащие за пределами наблюдений», могут быть интересны. Поэтому он подошел к проблеме с другой стороны, вернувшись к ней девятью годами спустя, в 1888 г., и успешно решив ее, как часть его классических экспериментальных работ по электромагнитным волнам. В 1886—1887 гг. он при выполнении некоторых экспериментов обнаружил что если кусок медной проволоки согнуть в виде прямоугольника так, чтобы между концами проволоки был маленький воздушный промежуток, и поместить этот прямоугольник рядом с искровым разрядом индукционной катушки (мы будем называть ее первичной цепью), то в промежутке открытой цепи прямоугольника проскакивает искра. Он правильно интерпретировал это явление, показав, что согнутая проволока (мы будем называть ее вторичной цепью) имеет такие размеры, которые делают свободный период колебаний в ней, почти равный периоду колебаний в первичной цепи.

Открытие, что в воздушном промежутке вторичной цепи могут возникать искры (при подходящих размерах для резонанса), давало метод наблюдения электрических эффектов в воздухе на расстоянии от первоначального возбудителя: детектор, требуемый Фитцджеральдом для наблюдения распространения электрических волн, теперь был в руках.

Неизвестный Герцу Давид Эдвард Хьюз (1830—1900) несколькими годами ранее опередил его. Он показал, что электрические искры можно обнаружить на расстоянии до около 500 м микрофоном (позднее он был назван «когером»), включенным в телефонную трубку. Он правильно утверждал, что эти сигналы были от электрических волн в воздухе. В 1879—1980 гг. он продемонстрировал эти эксперименты президенту Королевского Общества сэру Джорджу Стоксу и В. Прису — Главному электрику Почтовой службы. К сожалению, они пришли к другому объяснению этого явления, и Хьюз, разочаровавшись, не опубликовал своих результатов, которые стали известными много позже.

После короткого перерыва, в течение которого Герц был занят изучением влияния облучения ультрафиолетовыми лучами на электрический разряд, проведя, тем самым, первые наблюдения фотоэлектрического эффекта, он в 1888 г. улучшил схему получения искр. Регистрируя эффект с помощью вторичной цепи, удалось продемонстрировать, что испускаются электромагнитные волны. Оливер Лодж (1851-1940) также в начале 1888 г. открыл электромагнитные волны. Он продемонстрировал их распространение и отражение вдоль проволок и выполнил точные измерения их длин волн. Однако, вместо того, чтобы немедленно опубликовать свои результаты, он отправился на отдых в Альпы, полагая, что его эксперименты произведут впечатление на очередном конгрессе Британской Ассоциации развития науки, который должен был быть в сентябре. На этом конгрессе, Фитцджеральд, который ничего не знал о работе Лоджа, громогласно объявил, что неизвестный немец Генрих Герц сумел генерировать и детектировать электромагнитные волны в воздухе.

Рис. 24. На верхней части показан вибратор (осциллятор) Герца, а на нижней — резонатор. А — катушка Румкфорда, В — два шарика, между которыми проскакивает искра; С и С’ — два больших проводника, которые заряжаются от катушки. Цепь abcd — резонатор Герца, а M — два шарика, между которыми можно видеть искорку

Для получения своих искр Герц использовал различные экспериментальные конфигурации. Одна из них показана на рис. 24. Две металлические сферы диаметром около 30 см были каждая на конце прямой медной проволоки. Центры сфер были на расстоянии 1 м. В середине проволока разрывалась с двумя шариками на концах разрыва. Расстояние между этими шариками (несколько см в диаметре) можно было регулировать до типичного значения порядка 1 мм. Размеры были выбраны так, чтобы возникающие волны можно было обнаружить вторичной цепью соответствующего размера. Для возбуждения цепи была использована катушка Румкорфа, с помощью которой две сферы заряжались противоположным знаком. При достижении нужного напряжения происходил искровой пробой, и искра проскакивала между шариками. При этом система разряжалась через ряд колебаний с частотой, определяемой размерами сфер и их взаимным расположением. Эти колебания затухали, когда энергия, связанная с первоначальным зарядом, испускалась в пространство в виде электромагнитных волн. К концу года Герц продемонстрировал сходство электромагнитных волн со светом, показав, что они могут отражаться» распространяться прямолинейно после прохождения отверстия в экране, испытывают дифракцию, и другие свойства, подобные свету,

В первых экспериментах длина волны составляла несколько метров, но, в тот же год, Герц смог сгенерировать волны порядка 10 см. Парадоксально, но Герц не оценил возможное практическое применение своего открытия. Когда один немецкий техник высказал ему предположение, что открытые им волны можно использовать для беспроволочного телеграфа, Герц отверг эту идею, утверждая, что токи в его резонаторе совершают колебания в миллионы раз в секунду и не могут быть воспроизводимы в телефонном устройстве, которое работает с токами с частотой в несколько тысяч раз в секунду.

Рис. 25. Резонатор Риги был сделан из стеклянной посеребренной пластинки (как обычное зеркало). Слой серебра на стекле имеет тонкую щель 7, в результате которой получаются две металлические, проводящие части а и b изолированные друг от друга. Когда на такой резонатор по падают электромагнитные волны, в щели Т проскакивает искорка, которую можно увидеть в темноте

Эксперименты Герца были продолжены итальянцем Аугусто Риги (1850-1921), профессором физики в университете Болоньи. Он сумел генерировать волны длиной в несколько см и регистрировать их с помощью резонатора, который он сделал из прямоугольной полости станиолевой фольги, закрепленной на стеклянной пластине. В середине фольги делался очень тонкий разрез, в котором могла появляться искра (рис. 25).

Риги родился в Болонье и после окончания технической школы поступил в 1867 г. на математический факультет Университета Болоньи. Получил степень в 1872 г. в области инженерной специальности. В рамках своей диссертации по гражданской инженерии (единственной в то время) он построил электростатическую машину для измерения очень малых электрических зарядов. Ее можно рассматривать как уменьшенный аналог знаменитого ускорителя частиц, построенного в 1930-х гг. Робертом ван дер Графом (1900—1967). Еще в школе Риги проявил большие способности в физике. Используя школьную лабораторию, он сумел улучшить телефон, разработанный в то время А. Г. Беллом (1847—1922), создал и запатентовал первый микрофон с проводящим порошком, а также громкоговоритель, который он представил на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. Он начал свою университетскую карьеру в Палермо (1880—1885), а затем в Падуе. В 1889 г. он вернулся в Болонью, где был профессором физики вплоть до своей кончины. Здесь он проводил свои исследования по оптическим свойствам электромагнитных волн. В Болонье он организовал Институт современной физики. Риги первым наблюдал гистерезисный цикл в магнитных материалах. Он изучал электрические разряды в газах, магнитные эффекты света и был одним из первых, кто исследовал фотоэлектрический эффект, построив фотоэлектрическое устройство.

С помощью построенного им осциллятора, который он назвал «трех искровой осциллятор», Риги выполнил серию знаменитых экспериментов, собранных в его книге Ottica delle Oscillazioni Elettriche («Оптика электрических колебаний», 1897 г.). В них он продемонстрировал точность электромагнитной теории.

Читайте также

ОТКРЫТИЕ ДЮЛОНГА И ПТИ

ОТКРЫТИЕ ДЮЛОНГА И ПТИ В истории физики 1819 г. отмечен свершением: французские ученые Пьер Луи Дюлонг и Алексис Терез Пти опубликовали результаты своих опытов по измерению теплоемкости твердых тел. Обобщая эти результаты, они сформулировали фундаментальный закон,

Открытие электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн Вернемся, однако, к Герцу. Как мы видели, в своей первой работе Герц получил быстрые электрические колебания и исследовал действие вибратора на приемный контур, особенно сильное в случае резонанса. В работе «О действии тока» Герц перешел к

Взаимодействие водяных волн

Взаимодействие водяных волн Создадим на воде два источника одинаковых по частоте и амплитуде воли. Для этого на знакомом нам приборе заменим стерженек В горизонтальным коромыслом, а на концах коромысла прикрепим два вертикальных стерженька. Каждый стерженек, колеблясь,

Дифракция волн

Дифракция волн Рассмотрим еще одно важное свойство волн. Мы уже упоминали о нем: волны способны огибать препятствия. Находясь за углом дома, мы хорошо слышим гудок автомобиля, проезжающего по улице. Звук — это волны уплотнений и разрежений воздуха. Если мы слышим звук,

Возбуждение электромагнитных волн

Возбуждение электромагнитных волн Простейший способ возбудить электромагнитные волны — создать электрический разряд. Представим себе металлический стержень с шаром на конце, заряженный положительным электричеством, и другой такой же стержень, заряженный

Обнаружение электромагнитных волн

Обнаружение электромагнитных волн Но электромагнитные волны в пространстве глазом не воспринимаются. Как же их обнаружить? И что, собственно, колеблется в этих волнах?Свойства водяных волн мы изучали, наблюдая за колебаниями пробки, па которую действовала водяная волна.

Длина волны электромагнитных волн

Длина волны электромагнитных волн Но там, где есть периодическое колебание, которое распространяется в пространстве, там можно говорить и о длине волны. У водяных волн мы называли длиной волны расстояние между двумя ближайшими гребнями. А что такое гребень водяной волны?

Шкала электромагнитных излучений

Шкала электромагнитных излучений Таким образом, шкала излучений, обнаруженных человеком в природе, оказалась очень широкой. Если идти от наиболее длинных волн к коротким, мы увидим следующую картину (рис. 27). Сначала идут радиоволны, они самые длинные. В их же число входят

МАЛЫЕ ДЛИНЫ ВОЛН

МАЛЫЕ ДЛИНЫ ВОЛН Маленькие расстояния кажутся нам непривычными. Мы не можем узнать, что происходит на самых маленьких расстояниях, без специальных крохотных инструментов. Страница (или экран), которую вы сейчас читаете, выглядит совершенно не так, как элементы, из которых

ОТКРЫТИЕ КВАРКОВ

ОТКРЫТИЕ КВАРКОВ С 1967 по 1973 г. Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор провели серию экспериментов, которые помогли установить существование кварков внутри протонов и нейтронов. Эксперименты проводились на линейном ускорителе, который, в отличие от прежних

Описание гравитационных волн

Описание гравитационных волн Термин «гравитационные волны» ввел сам Эйнштейн вместе с публикацией ОТО. Немного позднее он опубликовал еще одну статью, уточняющую заявление о гравитационных волнах. Точно так же, как и в электродинамике, должно быть излучение, которое

Детектирование гравитационных волн

Детектирование гравитационных волн Я сразу узнаю удачу, едва она появится… Жюльетта Бенцони «Марианна в огненном венке» Из сказанного выше об астрофизических источниках можно сделать вывод, что безразмерные амплитуды гравитационных волн, которые мы имеем шанс

Экспериментальное доказательство инверсии населенности

Экспериментальное доказательство инверсии населенности Вернемся к экспериментам по ядерному резонансу. Некоторые эксперименты, выполненные Блохом и его коллегами, имеют большое значение для нашей истории. В некоторых экспериментах они нашли, что время релаксации воды

ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА

ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА Одно из самых важных открытий Фарадея в области химии было связано с его братом, китами и прозрачной бесцветной жидкостью, имевшей запах миндаля.В середине 1820-х годов старший брат Фарадея, Роберт, начал работать в компании по поставкам газа,

ЛИГО засекает всплеск гравитационных волн

ЛИГО засекает всплеск гравитационных волн В Кип-версии (позволю себе пофантазировать) за несколько десятилетий до начала событий фильма двадцатилетний Брэнд работал заместителем у директора проекта под названием ЛИГО (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory –

Гравитационные волны и детекторы волн

Гравитационные волны и детекторы волн А теперь, прежде чем продолжить разговор об «Интерстеллар», я позволю себе удовольствие рассказать еще немного о гравитационных волнах.На рис. 16.6 – художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются

Электромагнитные волны: что это, влияние и сферы применения

Одно из ключевых понятий физики — электромагнитные волны. Человек не может их увидеть, но активно использует. Радио и радары, рентгены и лазеры — все это работает благодаря существованию электромагнитного поля.

Что такое электромагнитные волны

Теорию электромагнитного поля в середине XIX века, в 1862 году, разработал Джеймс Максвелл. Он дал теоретическое определение электромагнитным волнам и излучению.

Характеристика и история изучения

Талантливый физик предсказал возможность существования электромагнитных волн как способа, с помощью которого электромагнитное поле распространяется в пространстве и во времени. Источником этого явления ученый назвал электрические заряды, которые движутся с ускорением.

Его теорию продолжили исследовать на практике такие ученые, как:

• Дэвид Эдвард Хьюз. В 1879 году продемонстрировал эффект распространения электромагнитных волн в воздухе.
• Генрих Герц. В серии экспериментов 1886–1889 гг. показал генерацию и прием электромагнитных волн. Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла.
• Русский изобретатель радио Александр Степанович Попов. В своей первой радиограмме в 1896 году передал два слова: «Генрих Герц». А за год до этого, пользуясь небольшими вибраторами, он получил электромагнитные волны длиной около 2–6 мм.

С тех пор электромагнитное излучение определяют как одноименные волны, которые приводят в возбуждение различные объекты излучения (молекулярные, атомные и заряженные частицы).

Каждая электромагнитная волна является излучением, которое имеет три основные характеристики:

1. Частота — количество гребней волны, которые проходят за одну секунду. Измеряется в герцах.
2. Поляризация. Описывает то, как происходят колебания электромагнитной волны в поперечном направлении. Когда волновые колебания происходят в одной плоскости, то такое излучение называют поляризованным. На практике это явление встречается на 3D-сеансах в кинотеатрах. В специальных очках происходит поляризация и картинка разделяется.
3. Длина, то есть расстояние, которое соединяет точки электромагнитного излучения, колеблющиеся в пределах одной фазы.

Электромагнитное излучение интересно тем, что распространяется в любой среде — и в плотных веществах, и в вакууме. При этом в последнем скорость распространения волн составляет около 300 тысяч км/с. А вот, например, звуковые волны в вакууме распространяться не могут.

Каков принцип действия электромагнитного излучения

Оно обладает энергией, которой присуща напряженность. Поле электромагнитных волн может быть постоянным и переменным:

• В первом случае напряженность обусловлена силой, которая оказывает каталитическое (ускоряющее) воздействие на токовый проводник. Такое напряжение измеряется в амперах.
• Переменное поле состоит из магнитной и электрической разновидностей магнитного поля, расширяющихся в пространстве в виде волн.

У такого распространения есть три зоны:

• Ближняя — индукционная.
• Промежуточная — интерференционная.
• Дальняя — волновая.

В своей теории Максвелл описал определенные свойства электромагнитных волн, которые обусловлены их различиями и зависят от длины волны. Согласно этому параметру, волны электромагнитного поля разделяют на диапазоны. Для последних разработана условная шкала, так как близкие частоты часто совмещают такие свойства:

• высокую проникающую способность;
• быструю скорость растворения в веществах;
• положительное и отрицательное влияние на человека.

Электромагнитные волны довольно быстро стали явлением, которое используют на практике. Знаем о них или нет, они нас окружают повсюду.

Виды электромагнитных волн и их применение

Электромагнитные волны различаются по частоте, поляризации и длине. Последний показатель был взят за основу самой распространенной классификации.

Виды

По показателю длины выделяют:

• Видимый свет. Это излучение воспринимается зрением человека. Длина у этих волн короткая и находится в границах от 380 до 780 нм.
• Инфракрасные волны. По показателю длины они находятся между световым излучением и радиоволнами.
• Радиоволны. Они имеют большую длину и охватывают все виды излучений от 0,5 мм.
• Ультрафиолет — излучение, которое наносит вред живым организмам.
• Рентгеновское излучение. Его производят электронные частицы. Оно широко применяется в медицине.
• Гамма-излучение с самой короткой длиной волны — самое опасное излучение для человека.

Где применяют и как влияет на человека

Широко применять электромагнитное излучение начали с конца XIX века. В это время началось развитие радиосвязи, с помощью которой реальным стало общение на больших расстояниях. Главными электромагнитными источниками были крупные объекты промышленного масштаба, а также электрические линии передач.

Кроме того, этим видом излучения заинтересовалась военная сфера. Так началась эпоха радаров и других подобных электрических приборов.

В сфере медицины для лечения различных болезней начали использовать инфракрасное излучение. Благодаря рентгеновским исследованиям появилась возможность выявлять внутренние повреждения в организме человека. На современном этапе с помощью лазеров проводят операции, требующие ювелирной точности.

Наряду с перечисленной выше пользой электромагнитного излучения, известны и некоторые негативные для человека последствия его воздействия:

• повышенная усталость;
• головные боли;
• тошнота.

Ученые-исследователи Н. И. Бурлака и С. С. Гоженко установили, что чрезмерное действие электромагнитного излучения повреждает внутренние органы, нарушает работу центральной нервной системы, что может привести к возникновению психических расстройств. Известен накопительный эффект биологических воздействий излучения: чем оно длительнее, тем более отрицательные результаты.

Воздействие, длящееся годами, приводит к:

• нарушениям работы гормональной системы;
• появлению злокачественных новообразований;
• болезням крови.

Чтобы избежать таких негативных влияний, внедряют определенные стандарты, регулирующие вопросы безопасности электромагнитного воздействия. Так, для использования всех разновидностей электромагнитного излучения разрабатывают гигиенические нормы и радиационные стандарты.

На современном этапе продолжается изучение электромагнитного излучения и его воздействия на организм человека. Многие стараются свести его к минимуму, так как нет окончательного вердикта относительно вреда излучения. Нас окружает великое разнообразие электромагнитных волн, многие из которых приносят человеку пользу.

История открытия электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии. Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду. »

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

∇E = 4πρ	Закон Кулона
∇B = 0&	магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/c(δB/δt)	закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt)	Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B])	Сила Лоренца

Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал). А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.

Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».