Что такое электромагнитные волны. Электромагнитные волны

Электромагнитные волны, если верить физике, являются одними из наиболее загадочных. В них энергия фактически исчезает в никуда, появляется непонятно откуда. Больше ни одного такого подобного объекта нет во всей науке. Как же происходят все эти чудесные взаимопревращения?

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.

Беспроводная связь

На сегодняшний день к возможным вариантам осуществления подобной беспроводной связи относят:

Электростатическую связь, которую также называется емкостной;

Индукционную;

Токовую;

Связь Теслы, то есть связь волн электронной плотности по проводящим поверхностям;

Широчайший спектр наиболее распространенных носителей, которые называются электромагнитные волны - от сверхнизких частот до гамма-излучения.

Стоит рассмотреть эти виды связи более подробно.

Электростатическая связь

Два диполя являются связанными электрическими силами в пространстве, что является следствием закона Кулона. От электромагнитных волн данный тип связи отличается возможностью связать диполи при расположении их на одной линии. С увеличением расстояний сила связи затухает, а также наблюдается сильное влияние различных помех.

Индукционная связь

Основана на магнитных полях рассеяния индуктивности. Наблюдается между объектами, которые имеют индуктивность. Применение ее довольно ограничено ввиду близкодействия.

Токовая связь

Благодаря токам растекания в проводящей среде может возникнуть определенное взаимодействие. Если через терминалы (пара контактов) пропустить токи, то эти самые токи можно обнаружить на значительном расстоянии от контактов. Именно это и называется эффектом растекания токов.

Связь Теслы

Знаменитый физик Никола Тесла изобрел связь с помощью волн на проводящей поверхности. Если в каком-то месте плоскости нарушить плотность носителя заряда, то эти носители начнут движение, которое будет стремится к восстановлению равновесия. Так как носители обладают инерционной природой, то восстановление носит волновой характер.

Электромагнитная связь

Излучение электромагнитных волн отличается огромным дальнодействием, так как их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию до источника. Именно этот способ беспроводной связи получил наибольшее распространение. Но что такое электромагнитные волны? Для начала необходимо осуществить небольшой экскурс в историю их открытия.

Как «появились» электромагнитные волны?

Началось все в 1829 году, когда американский физик Генри обнаружил возмущения электрических разрядов в экспериментах с лейденскими банками. В 1832 году физиком Фарадеем было выдвинуто предположение о существовании такого процесса, как электромагнитные волны. Максвелл в 1865 году создал свои знаменитые уравнения электромагнетизма. В конце девятнадцатого века было много успешных попыток создания беспроводной связи с помощью электростатической и электромагнитной индукции. Знаменитый изобретатель Эдисон придумал систему, которая позволяла пассажирам железной дороги отправлять и получать телеграммы прямо во время движения поезда. В 1888 году Г. Герц однозначно доказал то, что электромагнитные волны появляются с помощью устройства, названного вибратором. Герц осуществил опыт по передаче электромагнитного сигнала на расстояние. В 1890 году инженер и физик Бранли из Франции изобрел устройство для регистрации электромагнитных излучений. Впоследствии этот прибор был назван "радиокондуктор" (когерер). В 1891-1893 годах Никола Тесла описал основные принципы осуществления передачи сигналов на большие расстояния и запатентовал мачтовую антенну, которая являлась источником электромагнитных волн. Дальнейшие заслуги в изучении волн и технической реализации их получения и применения принадлежат таким знаменитым физикам и изобретателям, как Попов, Маркони, де Мор, Лодж, Мирхед и многим другим.

Понятие «электромагнитная волна»

Электромагнитная волна - это явление, которое распространяется в пространстве с определенной конечной скоростью и являет собой переменное электрическое и магнитное поле. Так как магнитные и электрические поля неразрывно связанны друг с другом, то они образуют электромагнитное поле. Также можно сказать, что электромагнитная волна - это возмущение поля, причем во время своего распространения энергия, которая есть у магнитного поля, переходит в энергию поля электрического и обратно, согласно электродинамике Максвелла. Внешне это похоже на распространение любой другой волны в любой другой среде, однако есть и существенные отличия.

Отличие электромагнитных волн от других?

Энергия электромагнитных волн распространяется в довольно непонятной среде. Чтобы сравнивать эти волны и любые другие, необходимо понять, о какой среде распространения идет речь. Предполагается, что внутриатомное пространство заполняет электрический эфир - специфическая среда, которая является абсолютным диэлектриком. Все волны во время распространения проявляют переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. При этом у этих энергий сдвинуты максимум во времени и пространстве относительно друг друга на одну четвертую полного периода волны. Средняя энергия волны при этом, являясь суммой потенциальной и кинетической энергии, является постоянной величиной. Но с электромагнитными волнами дело обстоит иначе. Энергии и магнитного и электрического поля достигают максимальных значений одновременно.

Как возникает электромагнитная волна?

Материя электромагнитной волны - это электрическое поле (эфир). Движущееся поле является структурированным и складывается из энергии его движения и электрической энергии самого поля. Поэтому потенциальная энергия волны связанна с кинетической и синфазна. Природа электромагнитной волны представляет собой периодическое электрическое поле, которое находится в состоянии поступательного движения в пространстве и движется со скоростью света.

Токи смещения

Есть и другой способ объяснить, что собой представляют электромагнитные волны. Предполагается, что в эфире возникают токи смещения при движении неоднородных электрических полей. Возникают они, естественно, только для неподвижного стороннего наблюдателя. В момент, когда такой параметр как напряженность электрического поля достигает своего максимума, ток смещения в данной точке пространства прекратится. Соответственно, при минимуме напряженности получается обратная картина. Этот подход проясняет волновую природу электромагнитного излучения, так как энергия поля электрического оказывается сдвинутой на одну четвертую периода по отношению к токам смещения. Тогда можно сказать, что электрическое возмущение, а точнее энергия возмущения, трансформируется в энергию тока смещения и обратно и распространяется волновым образом в диэлектрической среде.

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.

Свойства электромагнитных волн

Еще необходимо отметить тот факт, что электромагнитная волна, конечно же, обладает определенными свойствами и вот об этих свойствах как раз, и было совершенно точно указано в работах Максвелла.

Следует также отметить, что свойства электромагнитных волн имеют определенные различия, а также очень сильно зависят от ее длины. В зависимости от свойств и длинны волн электромагнитные волны делятся на диапазоны. Они имеют довольно таки условную шкалу, так как соседние диапазоны имеют свойства накладываться друг на друга.

Не лишним будет знать и то, что некоторые области обладают общими свойствами. К таким свойствам относятся:

Способность проникновения;
высокая скорость распространения в веществе;
влияние на человеческий организм, как положительное, так и отрицательное и т.д.

К разновидностям электромагнитных волн можно отнести, как радиоволны, ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, видимый свет, а также рентгеновское, гамма-излучение и другие.

А теперь давайте внимательно рассмотрит приведенную внизу таблицу, и подробнее изучим, как можно классифицировать электромагнитные волны, какие бывают виды излучений, источники излучения, а также их частоту:

Интересные факты о электромагнитных волнах

Наверное, ни для кого не будет секретом тот факт, что пространство, которое нас окружает, пронизано электромагнитным излучением. Такое излучение связано не только с телефонными и радиоантеннами, но и окружающими нас телами, Землей, Солнцем и звездами. В зависимости от частоты колебаний электромагнитные волны могут иметь различные названия, но суть их сходна. К таким электромагнитным волнам можно отнести, как радиоволны, так и инфракрасное излучение, и видимый свет, и рентгеновские лучи, а так же лучи биополя.

Такой безграничный источник энергии, как электромагнитное поле является причиной появления колебания электрических зарядов атомов и молекул. Из этого следует, что колеблясь, заряд движется с ускорением и при этом излучает электромагнитные волны.

Воздействие электромагнитных волн на здоровье человека

Уже много лет ученные обеспокоены проблемой влияния электромагнитных полей на здоровье человека, животных и растений и поэтому много времени посвящают исследованиям и изучению этой проблемы.

Наверное, каждый из вас бывал на дискотеках и обращал внимание на то, что под действием ультрафиолетовых ламп светлая одежда начинала светиться. Такой вид излучения не представляет опасности для живых организмов.

А вот посещая солярий или используя в медицинских целях ультрафиолетовые лампы необходимо использовать защиту для глаз, так как такое воздействие может вызывать кратковременную потерю зрения.

Так же при использовании ультрафиолетовых бактерицидных ламп, которые применяют для обеззараживания помещений, необходимо быть крайне осторожными и при их применении необходимо покинуть помещение, так как они отрицательно влияют на кожу человека, а также на растения, вызывая, ожег листьев.

Но кроме окружающих нас источников излучения и различных приборов, организм человека также имеет свои электрические и магнитные поля. Но также следует знать, что в человеческом организме на протяжении его жизни электромагнитные поля имеют свойство постоянно меняться.

Чтобы определить электромагнитное поле человека используют такой точный прибор, как энцефалограф. С помощью этого прибора можно с высокой точностью измерить электромагнитное поле человека и определить его активность в коре головного мозга. Благодаря появлению такого прибора, как энцефалограф, появилась возможность для диагностики различные заболевания даже на ранней стадии.

Электромагнитное излучение существует ровно столько, сколько живет наша Вселенная. Оно сыграло ключевую роль в процессе эволюции жизни на Земле. По факту, это возмущение состояние электромагнитное поля, распространяемого в пространстве.

Характеристики электромагнитного излучения

Любую электромагнитную волну описывают с помощью трех характеристик.

1. Частота.

2. Поляризация.

Поляризация – одна из основных волновых атрибутов. Описывает поперечную анизотропию электромагнитных волн. Излучение считается поляризованным тогда, когда все волновые колебания происходят в одной плоскости.

Это явление активно используют на практике. Например, в кино при показе 3D фильмов.

С помощью поляризации очки IMAX разделяют изображение, которое предназначено для разных глаз.

Частота – число гребней волны, которые проходят мимо наблюдателя (в данном случае – детектора) за одну секунду. Измеряется в герцах.

Длина волны – конкретное расстояние между ближайшими точками электромагнитного излучения, колебания которых происходят в одной фазе.

Электромагнитное излучение может распространяться практически в любой среде: от плотного вещества до вакуума.

Скорость распространения в вакууме равна 300 тыс. км за секунду.

Интересное видео о природе и свойствах ЭМ волн смотрите в видео ниже:

Виды электромагнитных волн

Все электромагнитное излучение делят по частоте.

1. Радиоволны. Бывают короткими, ультракороткими, сверхдлинными, длинными, средними.

Длина радиоволн колеблется от 10 км до 1 мм, а от 30 кГц до 300 ГГц.

Их источниками может быть как деятельность человека, так и различные естественные атмосферные явления.

2. . Длина волны лежит в пределах 1мм — 780нм, а может доходить до 429 ТГц. Инфракрасное излучение еще называют тепловым. Основа всей жизни на нашей планете.

3. Видимый свет. Длина 400 — 760/780нм. Соответственно колеблется в пределах 790-385 ТГц. Сюда относят весь спектр излучения, которое можно увидеть человеческим глазом.

4. . Длина волны меньше, чем в инфракрасного излучения.

Может доходить до 10 нм. таких волн очень большая – порядка 3х10^16 Гц.

5. Рентгеновские лучи . волны 6х10^19 Гц, а длина порядка 10нм — 5пм.

6. Гамма волны. Сюда относят любое излучение, которого больше, чем в рентгеновских лучах, а длина – меньше. Источником таких электромагнитных волн являются космические, ядерные процессы.

Сфера применения

Где-то начиная с конца XIX столетия, весь человеческий прогресс был связан с практическим применением электромагнитных волн.

Первое о чем стоит упомянуть – радиосвязь. Она дала возможность людям общаться, даже если они находились далеко друг от друга.

Спутниковое вещание, телекоммуникации – являются дальнейшим развитием примитивной радиосвязи.

Именно эти технологии сформировали информационный облик современного общества.

Источниками электромагнитного излучения следует рассматривать как крупные промышленные объекты, так и различные линии электропередач.

Электромагнитные волны активно используются в военном деле (радары, сложные электрические устройства). Также без их применения не обошлась и медицина. Для лечения многих болезней могут использовать инфракрасное излучение.

Рентгеновские снимки помогают определить повреждения внутренних тканей человека.

С помощью лазеров проводят ряд операций, требующих ювелирной точности.

Важность электромагнитного излучения в практической жизни человека сложно переоценить.

Советское видео о электромагнитном поле:

Возможное негативное влияние на человека

Несмотря на свою полезность, сильные источники электромагнитного излучения могут вызывать такие симптомы:

Усталость;

Головную боль;

Тошноту.

Чрезмерное воздействие некоторых видов волн вызывают повреждения внутренних органов, центральной нервной системы, мозга. Возможны изменения в психике человека.

Интересное виде о влиянии ЭМ волн на человека:

Чтобы избежать таких последствий практически во всех странах мира действуют стандарты, регулирующие электромагнитную безопасность. Для каждого типа излучений существуют свои регулирующие документы (гигиенические нормы, нормы радиационной безопасности). Влияние электромагнитных волн на человека до конца не изучено, поэтому ВОЗ рекомендует минимизировать их воздействие.

), описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников - зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458±1, 2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.

В 1888 году теория электромагнитных волн получила экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца . Используя источник высокого напряжения и вибраторы (см. Герца вибратор), Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты по определению скорости распространения электромагнитной волны и ее длины. Экспериментально подтвердилось, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света, что доказывало электромагнитную природу света.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл предсказал возможность существования в пространстве электромагнитных волн. Это утверждение он выдвинул основываясь на выводах, вытекающих из анализа всех известных к тому моменту экспериментальных данных касательно электричества и магнетизма.

Максвелл математически объединил законы электродинамики, связав электрические и магнитные явления, и таким образом пришел к выводу, что изменяющиеся с течением времени электрическое и магнитное поля порождают друг друга.

Изначально он сделал акцент на том факте, что взаимосвязь магнитных и электрических явлений не симметрична, и ввел термин «вихревое электрическое поле», предложив свое, по-настоящему новое объяснение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем: «всякое изменение магнитного поля приводит к появлению в окружающем пространстве вихревого электрического поля, имеющего замкнутые силовые линии».

Справедливым, по мнению Максвелла, было и обратное утверждение, что «изменяющееся электрическое поле рождает магнитное поле в окружающем пространстве», однако это утверждение оставалось поначалу только гипотезой.

Максвелл записал систему математических уравнений, которые непротиворечиво описали законы взаимных превращений магнитного и электрического полей, эти уравнения стали впоследствии основными уравнениями электродинамики, и стали называться «уравнения Максвелла» в честь записавшего их великого ученого. Гипотеза Максвелла, с опорой на написанные уравнения, возымела несколько чрезвычайно важных для науки и техники выводов, которые приведены ниже.

Электромагнитные волны действительно существуют

В пространстве могут существовать поперечные электромагнитные волны, представляющие собой распространяющееся с течением времени . На то что волны являются поперечными, указывает тот факт, что векторы магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е взаимно перпендикулярны и оба лежат в плоскости перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Скорость распространения электромагнитных волн в веществе конечна, и определяется она электрическими и магнитными свойствами вещества, по которому волна распространяется. Длина синусоидальной волны λ при этом связана со скоростью υ определенным точным соотношением λ = υ / f, и зависит от частоты f колебаний поля. Скорость c электромагнитной волны в вакууме - одна из фундаментальных физических констант - скорость света в вакууме.

Поскольку Максвелл заявлял о конечности скорости распространения электромагнитной волны, то это создало противоречие между его гипотезой и принятой в те времена теорией дальнодействия, согласно которой скорость распространения волн должна была бы быть бесконечной. Теорию Максвелла назвали поэтому теорией близкодействия.

В электромагнитной волне одновременно происходит превращение электрического и магнитного полей друг в друга, следовательно объемные плотности магнитной энергии и электрической энергии равны между собой. Следовательно справедливо утверждение, что модули напряженности электрического поля и индукции магнитного поля связаны между собой в каждой точке пространства следующим соотношением:

Электромагнитная волна в процессе своего распространения создает поток электромагнитной энергии, и если рассмотреть площадку в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны, то за малое время через нее переместится определенное количество электромагнитной энергии. Плотность потока электромагнитной энергии - это количество энергии, переносимой электромагнитной волной через поверхность единичной площади за единицу времени. Подставив значения скорости, а также магнитной и электрической энергии, можно получить выражение для плотности потока через величины Е и В.

Поскольку направление распространения энергии волны совпадает с направлением скорости распространения волны, то поток энергии, распространяющийся в электромагнитной волне можно задать при помощи вектора, направленного так же, как и скорость распространения волны. Этот вектор получил название «вектор Пойнтинга» - в честь британского физика Генри Пойнтинга, разработавшего в 1884 году теорию распространения потока энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии волны измеряется в Вт/кв.м.

При действии электрического поля на вещество, в нем появляются небольшие токи, представляющие собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Эти токи в магнитном поле электромагнитной волны подвергаются действию силы Ампера, которая направлена вглубь вещества. Сила Ампера и порождает в итоге давление.

Это явление позже, в 1900 году, было исследовано и подтверждено опытным путем русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым, экспериментальная работа которого явилась очень важной для подтверждения теории электромагнетизма Максвелла и ее принятия и утверждения в дальнейшем.

Тот факт, что электромагнитная волна оказывает давление, позволяет судить о наличии у электромагнитного поля механического импульса, который можно выразить для единичного объема через объемную плотность электромагнитной энергии и скорость распространения волны в вакууме:

Поскольку импульс связан с движением массы, можно ввести и такое понятие как электромагнитная масса, и тогда для единичного объема это соотношение (в соответствии с СТО) примет характер универсального закона природы, и окажется справедливым для любых материальных тел, вне зависимости от формы материи. А электромагнитное поле тогда сродни материальному телу - обладает энергией W, массой m, импульсом p и конечной скоростью распространения v. То есть электромагнитное поле - это одна из форм реально существующей в природе материи.

Впервые в 1888 году Генрих Герц подтвердил экспериментально электромагнитную теорию Максвелла. Он опытным путем доказал реальность электромагнитных волн и изучил такие их свойства как преломление и поглощение в различных средах, а также отражение волн от металлических поверхностей.

Герц измерил длину волны , и показал, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Экспериментальная работа Герца стала последним шагом к признанию электромагнитной теории Максвелла. Семь лет спустя, в 1895 году, русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны для создания беспроводной связи.

В цепях постоянного тока заряды движутся с постоянной скоростью, и электромагнитные волны в этом случае в пространство не излучаются. Чтобы имело место излучение, необходимо воспользоваться антенной, в которой возбуждались бы переменные токи, то есть токи, быстро изменяющие свое направление.

В простейшем виде для излучения электромагнитных волн пригоден электрический диполь небольшого размера, у которого бы быстро изменялся во времени дипольный момент. Именно такой диполь называют сегодня «диполь Герца», размер которого в несколько раз меньше длины излучаемой им волны.

При излучении диполем Герца, максимальный поток электромагнитной энергии приходится на плоскость, перпендикулярную оси диполя. Вдоль оси диполя излучения электромагнитной энергии не происходит. В важнейших экспериментах Герца были использованы элементарные диполи как для излучения, так и для приема электромагнитных волн, так и было доказано существование электромагнитных волн.