Электромагнитные волны

Из созданной Максвеллом теории вытекал вывод о том, что быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн. Причем эти волны могут су­ществовать не только в веществе, но и в вакууме. Опираясь исключи­тельно на теоретические выводы, Максвелл определил также, что электромагнитные волны дол-жны распространяться в вакууме со скоростью 300 000 км/с, т. е. со скоростью света (скорость света, как известно, была измерена задолго до этого).

Вы знаете, что в механических волнах, например в звуковых, энергия передается от одних частиц среды к другим. При этом частицы приходят в колебательное движение, т. е. их смещение от поло­жения равновесия периодически меняется. Для передачи звука обязательно нужна вещественная среда.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, т. е. какие физические величины периодически меняются в ней?

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В.

Основной количественной характеристикой электрического поля служит векторная величина, называемая напряженностью элект­рического поля, которая обозначается Е.

Когда мы говорим, что магнитное и электрическое поля меняют­ся, то это означает, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля В и вектор напряженности электрического поля Ё.

В электромагнитной волне именно векторы В и Е пери­одически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеб­лются.

На рисунке 1 изображены вектор напряженности электриче­ского поля Е и вектор индукции магнитного поля В электромаг­нитной волны в один и тот же момент времени. Это как бы «момен­тальный снимок» волны, распространяющейся в направлении оси Z. Плоскость, проведенная через векторы В и Е в любой точке, перпен­дикулярна направлению распространения волны, что говорит о поперечности волны.

За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси Z на расстояние, равное длине волны. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны , ее ско­ростью с, периодом Т и частотой колебаний, что и для механиче­ских волн:

Максвелл не только научно обосно­вал возможность существования электромагнитных волн, но и указал, что для создания интенсивной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на некотором расстоянии от источника, необходимо, чтобы колебания векторов Е и В происходили с достаточно высокой частотой (порядка 100 000 колебаний в секунду и больше).

В 1888 г. немецкому ученому Генриху Герцуудалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны. В результате опытов Герца были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Сейчас мы знаем, что все пространство вокруг нас буквально про­низано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диа­пазонов, которые представлены на рис. 2.

Границы диапазонов весьма условны, поэтому, как видно из рисунка, в большинстве случаев соседние диапазоны несколько пере­крывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от дру­га проникающей способностью, скоростью распространения в веще­стве, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воз­действие на живые организмы. Например, инфракрасное, т. е. тепло­вое излучение играет определяющую роль в поддержании жизни на Земле, поскольку люди, животные и растения могут существовать и нормально функционировать только при определенных температурах.

Видимый свет дает нам информацию об окружающем мире и воз­можность ориентироваться в пространстве. Он необходим также для протекания процесса фотосинтеза в растениях, в результате чего выделяется кислород, необходимый для дыхания живых организмов

Влияние на человека ультрафиолетового излучения (вызывающего загар) в большой степени определяется интенсивностью и продолжительностью облучения. В допустимых дозах оно повышает сопротивляемость организма человека к различным заболеваниям в частности инфекционным. Превышение допустимой дозы может вызвать ожоги кожи, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета, повреждение сетчатки глаз. Глаза можно защитить с помощью стеклянных очков (как темных, так и прозрачных, но не пластиковых), так как стекло поглощает значительную часть ультрафиолетовых лучей.

Вы знакомы и с рентгеновским излучением, в частности с его ши­роким применением в медицине — флюорографическое обследова­ние или рентгеновский снимок наверняка делали каждому из вас. Но слишком большие дозы или частые обследования с помощью рентге­новских лучей могут вызвать серьезные заболевания.

Получение электромагнитных волн имеет огромное научное и прак­тическое значение. В этом можно убедиться на примере всего лишь од­ного диапазона — радиоволн, применяемых для телевизионной и радио­связи, в радиолокации (т. е. для обнаружения объектов и измерения расстояния до них), в радиоастрономии и других сферах деятельности.