Что такое электромагнитная волна
Перейти к содержимому

Что такое электромагнитная волна

  • автор:

Что такое электромагнитная волна и колебание

Впервые понятие поля было предложено Фарадеем и базировалось оно на следующих утверждениях:

  • заряд окружен электростатическим полем;
  • движущийся заряд окружен магнитным полем;
  • переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Согласно гипотезе Максвелла, при изменении электрического поля создается вихревое магнитное поле. На этой гипотезе строится идея единого электромагнитного поля.

Электромагнитное поле является фундаментальным понятием физики. Оно представляет собой особую форму существования материи, совокупность электрического и магнитного полей, взаимодействующих с электрически заряженными частицами и телами.

Проявление электромагнитного поля можно проследить в его воздействии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряженные частицы. Скорость его распространения велика, но всегда конечна.

Поведение электромагнитного поля наиболее точно описывается системой уравнений Максвелла. Запишем систему из четырех уравнений в системе СИ:

  • $\div$ — дифференциальный оператор, определяющий поток поля через определенную поверхность;
  • $\vec$ — векторное электрическое поле;
  • $\rho$ — суммарный заряд, ограниченный замкнутой поверхностью;
  • $rot \vec$ — ротор (интеграл через замкнутую поверхность) электрического поля;
  • $B$ — магнитная индукция;
  • $j$ — плотность электрического тока.

Суть этих четырех уравнений можно свести к следующим утверждениям:

  • электрическое поле создается электрическим зарядом;
  • вихревое электрическое поле создается изменяющимся магнитным полем;
  • поток магнитного поля через замкнутую поверхность равен нулю, т. е. магнитных зарядов не существует;
  • электрический ток и смещение электрического поля создают вихревое электрическое.

Понятие электромагнитной волны

Любое изменение состояния электромагнитного поля (возмущение поля) имеет волновой характер. При ускоренном движении заряда в поле осуществляется излучение электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве с некоторой конечной скоростью. Так, например, в вакууме электромагнитные волны излучаются со скоростью света, т.е. примерно 300 км/сек.

Волны расходятся от источника возмущения. В случае с электромагнитными волнами источниками возмущения следует принимать передвигающиеся магнитные и электрические поля.

Главный источник электромагнитных волн на Земле – Солнце. Часть испускаемых Солнцем электромагнитных волн улавливается человеческим глазом (как следствие – ощущение цвета). Особенно стоит отметить радиоволны – волны, длина которых превышает 500 мкм, а частота составляет менее $6 • 10^<12>$ Гц.

В целом, длина радиоволны определяется по формуле:

  • $\lambda$ — длина волны, м
  • $f$ — частота волны.

Понятие колебания и его характеристики

В общем смысле, колебание – это процесс или движение, характеризующийся определенной повторяемостью во времени. В зависимости от природы колебаний, их объединяют в две основные группы – механические и электромагнитные. К изучению и тех и других применяют единый подход, поскольку их характеристики сходны по многим параметрам.

Итак, значительную группу процессов относят к свободным или собственным колебаниям. Собственные колебания совершаются под действием единожды сообщенной энергии без последующего воздействия внешних сил на колебательную систему в целом.

Отдельно стоит выделить гармонические колебания. При гармоническом колебательном процессе рассматриваемая величина изменяется во времени согласно закону синуса (косинуса). Многие явления, встречаемые в природе и технике, близки по своим характеристикам гармоническим колебаниям. Многие периодические процессы можно представить как наложение гармонических колебаний.

Приведем уравнение, описывающее гармоническое колебание величины $s$:

  • $\omega_0$ — циклическая частота;
  • $A$ — амплитуда колебания (максимальное значение величины $s$).

Здесь периодически меняющийся аргумент косинуса $(\omega_0 t + \varpi)$ будет называться фазой колебания. Фаза колебания характеризует отклонение величины $s$ от точки равновесия в момент времени $t$.

Значение $\varpi$ в уравнении называется начальной фазой. Начальная фаза характеризует отклонение колеблющейся величины от точки равновесия в начальный момент времени. Таким образом, значение $\varpi$ зависит от выбора начала отсчета времени.

Косинус меняется в пределах от -1 до 1, следовательно, величина $s$ может принимать значение от $-A$ до $A$.

Колебательная система возвращается в начальное состояние через промежуток времени $T$, названный периодом колебания. За один $T$ система получает приращение в $2\pi$:

$\omega_0 (t+T) = (\omega_0 t + \varpi) +2\pi$

Путем преобразования получаем: $T = \frac<2\pi><\omega_0>$.

Введем понятие частоты колебаний. Так, частота колебаний есть величина, обратная периоду колебаний:

Численно она равна количеству полных колебаний, совершенных за единицу времени. Стандартная единица частоты – герц (Гц). Один Гц – частота колебания, при котором за 1 секунду совершается 1 колебательный цикл.

Электромагнитные волны для «чайников». Что излучает телефон?

В этой небольшой серии из трех статей, мы попробуем разобраться с очень важной темой, которая касается каждого современного человека. Ведь все мы буквально погружены в океан электромагнитного излучения, порой даже не осознавая, что это такое и как оно влияет на нас.

Безусловно, в интернете предостаточно статей, которые рассказывают об электромагнитных волнах, их длине и частоте, об ионизирующем излучении и прочих сложных терминах. Но для многих людей всё это остается загадкой — чем-то далеким от той реальности, которую можно потрогать, увидеть или хотя бы осознать.

Например, многие знают, что видимый свет — это поток фотонов или «светящихся шариков», переносящих энергию в пространстве. Но тогда радиоволны или тепло — это тоже фотоны/шарики?

Как вы представляете себе энергию? Может это некий светящийся сгусток материи или небольшая порция электричества, вроде микроскопической молнии? Но ведь брошенный камень тоже обладает энергией, а в нем нет никакого электричества или светящегося вещества.

Что происходит, когда смартфон или фитнес-браслет создает электромагнитную волну, которая затем отдает эту энергию нашему телу? Ведь все эти устройства непрерывно что-то излучают. И куда же девается эта энергия?

Цель этого небольшого цикла статей — ответить на все поставленные выше вопросы. Но ответить не цифрами или сложными терминами, а дать интуитивное понимание, чтобы электромагнитное излучение и энергия показались такими же обыденными вещами, как огонь или вода.

В процессе чтения этих статей вы непосредственно почувствуете, что значит потратить 1 джоуль энергии или сколько это 1 ватт. Ведь именно в ваттах измеряется мощность радиоизлучения от Wi-Fi, смартфонов или Bluetooth-наушников.

Но прежде, чем мы разберемся с энергией, которую излучает различная техника (во второй части), и поймем влияние этой энергии на организм (в третьей части), нужно осознать, что такое излучение вообще.

Именно о природе электромагнитных волн и пойдет речь в первой статье!

Что такое электромагнитное поле? Или о логических противоречиях

Очевидно, электромагнитные поля — это набор электрических и магнитных полей. Но при попытке ответить на вопрос о том, что же такое электромагнитное поле, из чего оно состоит и почему работает так, как работает, мы сталкиваемся с логическим противоречием.

Если вы пытались в этом разобраться, то, скорее всего, тоже каждый раз разочаровывались в ответах, потому что, задавая такие вопросы, вы нарушаете законы логики.

Из чего состоит воздух? Очевидно, из молекул. Почему воздух нагревается? Потому что молекулы находятся в непрерывном движении и если они ускоряются, то при столкновении с нашей кожей ударяются в нее сильнее, передавая часть энергии движения нашим молекулам. И мы чувствуем тепло.

Это простые вопросы и на них есть простые ответы, так как ни воздух, ни молекулы не являются фундаментальными понятиями, а значит, их природу можно объяснить.

Фундаментальное понятие — это то, из чего состоит всё остальное, то, что невозможно разложить на составляющие части, невозможно разделить, как мы делим молекулы на атомы, атомы — на электроны и ядра, а ядра — на протоны и нейтроны.

Представьте машинку, собранную из деталек конструктора. Для ребенка одна деталька и будет фундаментальным понятием. Ведь он даже не представляет, что детальку можно «разобрать» на более мелкие «детальки» — атомы.

Так вот, в современной науке, какой бы продвинутой и фантастической она ни казалась нам, электрические и магнитные поля являются фундаментальными понятиями. Поэтому ни одна статья не сможет дать вам тот ответ, на который вы рассчитываете.

Тем не менее, кое-что мы понять можем!

Что такое электрическое поле?

Всё вещество в нашей вселенной в основном состоит из трех частиц: электронов, протонов и нейтронов. Это и есть «неделимые» детальки конструктора. А раз неделимые, значит, элементарные.

Из этих трех частиц только две (электроны и протоны) обладают неким интересным свойством под названием электрический заряд. Например, у частиц есть какая-то масса, «размер» и другие параметры, включая тот самый «заряд».

Если вы при слове «заряд» подумали об электрическом токе, то снова сделали логическую ошибку. Ток — это движение зарядов в пространстве. Соответственно, называя заряд током, мы ходим по кругу: заряд — это ток, а ток — это заряд. Нонсенс.

Дело в том, что электрон и протон не просто так парят в пространстве, они изменяют его! Эти частицы создают вокруг себя некую форму материи, которую мы и назвали электрическим полем.

Его невозможно потрогать, невозможно увидеть, но все частицы, обладающие зарядом, испытывают его влияние на себе.

Электрический заряд — это и есть способность частицы создавать вокруг себя материю под названием «электрическое поле», а также способность реагировать на электрические поля, созданные другими частицами.

Если мы представим протоны и электроны как шарики, то электрическим полем будут линии, выходящие из этих шариков (или входящих в них). Это непростые линии, они могут толкать или притягивать другие частички, обладающие зарядом:

электрические элементарные заряды

Эти линии никогда не пересекаются. Если поместить рядом два протона, из которых исходят линии (электрическое поле), то линии согнутся и будут пытаться выпрямиться, словно прутья. В результате две частички отлетят друг от друга:

два одноименных заряда отталкиваются

Но если мы поместим протон, из которого выходят линии, и электрон, в который линии входят, они «склеятся» друг с другом:

разноименные заряды притягиваются

Когда люди заметили подобное поведение, то решили как-то обозвать два типа таких зарядов. Можно было называть их исходящими и входящими зарядами или липкими и колючими. Но Бенджамин Франклин (тот, что изображен на стодолларовой купюре) назвал их положительными и отрицательными зарядами.

Итак, электрическое поле — это некая таинственная материя, которую создают вокруг себя все частицы, обладающие таким свойством, как электрический заряд.

Конечно, в реальности электрическое поле не состоит из физических линий, но именно так проще всего представлять эту материю. К примеру, вокруг частиц с положительным электрическим зарядом линии направлены от частицы и это направление показывает, в какую сторону будут отталкиваться другие положительные заряды:

как частицы отталкивают другие частицы

Чем ближе к протону — тем больше линий, то есть, выше плотность их размещения и, соответственно, электрическое поле будет более сильным. Чем дальше от протона — тем реже встречаются линии, и тем слабее поле, то есть, оно толкает другие заряды с меньшей силой. Это даже интуитивно понятно, так как один согнутый «прутик» толкнет частичку гораздо слабее, чем сотня таких же натянутых «прутьев», сделанных из неизвестной науке материи.

Важно понимать, что «прутики» не толкают непосредственно частички, они на них вообще никак не влияют. Эти «прутики» взаимодействуют только с другими «прутьями» или линиями электрических полей, созданных другими заряженными частицами.

Поэтому, если у частицы нет заряда (например, у нейтрона), тогда она никак не будет реагировать на электрические поля в пространстве и сама не будет создавать вокруг себя этой материи.

То же касается и многих атомов, у которых одинаковое количество разноименных зарядов (протонов и электронов). Такие атомы электрически нейтральны, так как одни заряды компенсируют другие. Это становится более наглядным, если называть заряды положительными и отрицательными, ведь +1 и -1 в сумме дают 0.

Из какого именно вещества состоит электрическое поле и как оно выглядит — это бессмысленные вопросы. Поле не может состоять из вещества по определению. Ведь наша вселенная состоит из материи, которая в свою очередь делится на вещество и поле:

из чего состоит вселенная

Поэтому не нужно думать об электрическом поле, как о каком-то веществе, вроде электронов, атомов или жидкости. Это отдельная форма существования материи. Если в веществе может быть пустота (вакуум), то в поле не может быть пустот, так как поле не состоит из отдельных частиц.

Представьте, что всё пространство во вселенной, включая вакуум, заполнено какой-то неизвестно науке средой. Это не электрическое поле, а просто что-то, что заполняет всё вокруг. В таком случае элементарная частица, обладающая электрическим зарядом, будет деформировать эту среду. И вот эта деформация/изменение пространства и есть электрическое поле.

Что такое магнитное поле?

Раз элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом, создают вокруг себя электрическое поле, то, должно быть, существуют элементарные частицы, обладающие магнитным зарядом и вот они-то и создают вокруг себя магнитное поле?

Хотя в этом и есть логика, но это не так. Не существует такого свойства частиц, как «магнитный заряд» и ни одна частица не обладает магнитным полем. Откуда же оно берется?

Прежде всего, магнитное поле — это еще один реально существующий вид материи, который может появляться из «ниоткуда» и исчезать в «никуда». Это примерно такое же изменение пространства, как и электрическое поле, но с небольшими отличиями.

Возьмем, к примеру, электрон. Это частица, имеющая электрический заряд. А раз так, она всегда создает вокруг себя электрическое поле и больше ничего. Но стоит электрону сдвинуться с места, то есть, начать движение и вокруг этого электрона, помимо постоянного электрического поля, тут же начнет появляться магнитное поле:

электрическое и магнитное поле

Как только электрон остановится, магнитное поле исчезнет. В отличие от электрического поля, магнитное поле не исходит от частицы, а окружает ее. Также линии магнитного поля замкнуты, а не направлены во все стороны (действие их силы показано стрелкой на картинке выше).

Когда электрон или другая заряженная частица пролетает, магнитное поле не исчезает мгновенно, а как бы тянется небольшим шлейфом впереди и позади электрона, причем поле тем сильнее, чем ближе оно к частице:

магнитное поле вокруг движущегося заряда

Если электрическое поле с силой действует на частицы с электрическим зарядом, то магнитное поле действует на эти же частицы, если они находятся в движении.

К примеру, мы можем взять два провода и пустить по ним ток, чтобы внутри по проводам поползли элементарные заряженные частицы (электроны). Как только они начнут свое движение, вокруг проводов появятся магнитные поля. То есть, два провода в буквальном смысле слова станут двумя магнитами.

Если электроны в двух проводах будут ползти в одну сторону, магнитные поля будут притягивать друг друга, словно вы прикладываете два магнита разными полюсами. Если же ток в двух проводах будет течь в разные стороны, «провода-магниты» будут отталкиваться:

провода превращаются в магниты

Заметьте, что электрические поля электронов не имеют никакого отношения к этому отталкиванию или притяжению. Это проявляются магнитные поля.

Что заставляет электроны ползти по проводам? Верно — электрическое поле! Так как на одном конце провода собралось очень много отрицательно заряженных частичек, а на втором — положительно заряженных, то именно электрическое поле и притягивает отрицательные заряды (электроны) к положительным, заставляя их ползти по проводу:

линии электрического поля в проводнике

Это и есть электромагнитные поля.

Но причем здесь излучение? Ведь электрическое и магнитное поле существуют только вокруг частичек, не так ли?

Что такое электромагнитное излучение? Или о том, как работает телефон

Снова наша логика подсказывает очень простой ответ. Если электромагнитное поле существует только вокруг элементарных частиц с зарядом (электронов и протонов), то электромагнитное излучение — это, наверное, полет электронов или протонов.

Наверное, во время звонка смартфон выбрасывает в пространство припасенные в аккумуляторе электроны, которые затем разлетаются во все стороны и создают при полете вокруг себя электромагнитные поля. Верно?

Может это звучит и логично, но в корне ошибочно. Всё куда интереснее и сложнее.

Дело в том, что наша вселенная устроена так, что изменяющееся электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле.

Чтобы понять этот набор слов, давайте рассмотрим простой пример.

Вернемся к проводу, на одном конце которого собралось много положительно заряженных частиц, а на другом — с отрицательным зарядом. Так как линии электрического поля всегда выходят из положительных зарядов и входят в отрицательные, то наше электрическое поле упрощенно выглядит так:

линии электрического поля в проводнике

Естественно, такое поле оказывает влияние на все электроны в проводе и заставляет их двигаться по направлению к положительно заряженным частицам. Но когда все отрицательные частицы переходят вниз, то теперь внизу собрался отрицательный заряд, а вверху — положительный. И теперь электрическое поле изменило свое направление и выглядит так:

движение электронов в обратную сторону

Это и есть изменяющееся электрическое поле. Оно постоянно меняет свое направление (направление силовых линий) и силу.

Ну а что с магнитным полем?

Когда электрическое поле заставляет двигаться заряженные частички, вокруг этого движения возникает магнитное поле. Причем, когда все электроны находятся на одном из концов провода, магнитное поле исчезает, ведь движение электронов останавливается. А когда электроны начинают двигаться в противоположную сторону, магнитное поле снова увеличивается до максимума:

магнитное поле, вызванное переменным электрическим полем

Так как направление движения электронов каждый раз меняется, то меняется не только сила магнитного поля, связанная с движением электронов, но и направление его линий:

изменяющееся магнитное поле

Это и есть изменяющееся во времени магнитное поле!

Получается, у нас есть изменяющееся электрическое поле, которое порождает изменяющееся магнитное поле. А как мы помним, изменяющееся магнитное поле снова порождает изменяющееся электрическое поле. И тут происходит настоящая цепная реакция, словно падение костяшек домино:

электромагнитное излучение

Даже если в этот момент убрать провод и любые частицы, это уже не остановит волну порождений одного поля другим. Такая волна будет нестись в пространстве со скоростью света, по пути влияя на все остальные заряженные частицы.

К слову, именно это изменение электрического поля и показывают на графиках в виде волн:

изменение электрического поля на графике

Когда электроны начинают движение и собираются на одном конце провода, электрическое поле на графике направляется вверх и его сила увеличивается. Затем электроны начинают двигаться в обратном направлении и сила электрического поля на графике начинает снижаться до тех пор, пока электроны не соберутся на противоположной стороне провода.

Теперь график снова показывает максимальную силу электрического поля, но уже направленную в другую сторону:

движение тока и графическое представление волны

Иногда график рисуется более корректно, так как к нему добавляется еще магнитное поле, которое колеблется перпендикулярно относительно электрического поля:

электромагнитная волна (график)

Итак, мы видим, что электромагнитная волна не связана с полетом электронов или протонов. При помощи электронов мы лишь создаем в одной точке пространства изменяющееся электрическое поле и оно порождает цепную реакцию под названием электромагнитное излучение.

Никакое вещество не переносится в пространстве, идет просто возмущение/колебание пространства или условной среды, заполняющей всё пространство.

Именно это делают смартфоны, Bluetooth-наушники или фитнес-браслеты. Внутри этих устройств есть антенны — небольшие кусочки провода, по которым электроны бегают то в одну сторону, то в другую. Из-за этого создается переменное электрическое поле, которое создает переменное магнитное поле и запускается уже рассмотренная нами реакция.

А теперь представьте, что такая волна доходит до другого устройства. Кусок провода (антенна) внутри него начинает испытывать воздействие электрического поля. Вначале оно имеет максимальную силу и направлено вниз. Естественно, все электроны испытывают на себе это влияние и под действием силы начинают двигаться в одну сторону.

Затем электрическое поле угасает и движение останавливается, после чего разворачивается в другую сторону и все электроны снова начинают движение в противоположную сторону. А движение электронов — это ток. В итоге, в проводе возникает электричество или сигнал!

движение тока и графическое представление волны

Для провода и электронов нет разницы, подключили ли мы батарейку (источник электрического поля) или это электрическое поле пришло в виде волны, главное, что все электроны начинают испытывать на себе движущую силу.

Именно так мы и можем передавать энергию на расстоянии, просто посылая колебания электрического поля.

У электромагнитной волны есть несколько свойств. Например, скорость распространения волны составляет 300 тыс. километров в секунду (в вакууме). Длина волны — это расстояние между ее последовательными пиками:

длина волны

То есть, это время, за которое электрическое поле меняет свое направление.

Также у волны есть частота, которая говорит нам о том, как часто сменяется направление движения электронов в проводе (или направление электрического поля).

Если направление электрического поля меняется 50 раз в секунду, значит, мы имеем электромагнитную волну с частотой 50 Гц, а если направление тока меняется 2.4 миллиарда раз в секунду, электромагнитная волна имеет частоту 2.4 ГГц. Именно на такой частоте работает Bluetooth, Wi-Fi и микроволновка.

И именно от частоты зависит энергия волны. Одни волны могут буквально разрушать всё на своем пути, включая ДНК человека. Другие волны могут растягивать молекулы, а третьи — поворачивать их внутри нашего тела.

Но что такое энергия? Почему энергия зависит от длины волны (от того расстояния, которое нужно преодолеть электронам в антенне)? Откуда берется эта энергия и куда девается? Обо всем этом мы поговорим во второй части.

Алексей, глав. ред. Deep-Review

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии.

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Bluetooth-кодеки и беспроводной звук на смартфоне для «чайников»

Глаз человека против матрицы смартфона: мегапиксели, разрешение и не только!

В чем измеряется современный смартфон?

Сканер отпечатка пальца на смартфоне. Как работает и что лучше — емкостный, оптический или ультразвуковой?

HDR для «чайников». Что такое HDR10, HDR10+ и Dolby Vision на смартфонах

Чем отличается камера смартфона от фотоаппарата? Раскрываем все карты!

5G для «чайников». Что такое 5G, как это работает и зачем нужно?

Можно ли заряжать смартфон, наушники или часы более мощной зарядкой? Вольты и амперы для «чайников»

Прекрасная статья! Огромное спасибо! Единственно, что «не зашло», так «…изменяющееся магнитное поле снова порождает изменяющееся электрическое поле. И тут происходит настоящая цепная реакция…». Не нашел по тексту статьи этой причинно-следственной связи. Наверное был не внимателен…

Статья топовая, но название «Простыми словами» удачнее, чем «Для чайников»

Я в 9 классе. Благодаря этой статье поняла 17 параграфов из учебника по физике. Спасибо огромное

По сути, получается, что э/м поля — это лишь удобная абстракция, описывающая взаимодействие частичек вещества. Не объяснение, но по крайней мере надёжное описание тех законов, по которым эти частички ведут себя относительно друг друга.

Э/м волны это, в свою очередь, — ещё одна абстракция, описывающая распространяющиеся изменения полей. Причём эти волны могут быть вещественно вообще никак не выражены, — при распространении в вакууме.

Только если у нас будет второй проводник (принимающая антенна), то мы сможем наблюдать изменения в поведении его вещества и судить о внешнем воздействии. В приёмнике будет возникать электрический ток, хотя на вещественном уровне он с источником никак не связан.

Много материалов пересмотрел, но везде идет объяснение про электрическое и магнитное поле отдельно. И было не ясно, каким образом они взаимодействуют. В этой статье все максимально понятно, спасибо автору)))

«То же касается и многих атомов, у которых одинаковое количество разноименных зарядов (протонов и электронов). Такие атомы электрически нейтральны, так как одни заряды компенсируют другие. Это становится более наглядным, если называть заряды положительными и отрицательными , ведь +1 и -1 в сумме дают 0.»

Позволю себе позанудствовать!
Несмотря на электрическую нейтральность атомов мы, тем не менее, состоим из молекул, а это возможно только вследствие взаимодействия атомов. Любой атом имеет положительно заряженное ядро и оболочку из электронов. Так вот для создания молекулы, например, кислорода (О2), два атома по сути «делят» часть электронов. Это можно увидеть, погуглив картинки на тему «ковалентная связь».
Если же мы возьмем два атома с противоположных сторон таблицы Менделеева — пусть это будут натрий и хлор — мы получим уже ионную связь. Хлор не будет «делить» электрон с натрием, он его просто отберет. Поэтому в воде у нас и плавают ионы, молекулы воды облепляют положительные и отрицательные ионы, получившиеся из, казалось бы, нейтральных атомов. По этой причине, такую аналогию я бы все же не использовал ��

Здравствуйте!
Спасибо большое за статью.
Не очень понятен следующий момент:

Но когда все отрицательные частицы переходят вниз, то теперь внизу собрался отрицательный заряд, а вверху — положительный

Почему вверху собирается положительный заряд? Ведь положительно заряженные частицы остаются на месте. Или нет?

Почему вверху собирается положительный заряд?

Как Вы верно заметили, положительно заряженные частицы остаются на месте, а отрицательно заряженные уходят вниз. Из-за этого вверху образовывается («собирается») положительный заряд, так как без отрицательно заряженных частичек общий заряд будет становиться положительным. В общем, слово «собирается», видимо, не самое удачное, нужно было сказать образовывается. )

Очень классная статья, спасибо большое за нее! Все объяснено понятным языком! В первый раз поняла, в чем отличие положительных и отрицательных зарядов. И нет, такого не объясняют (по крайней мере не было у меня) на уроках физики, даже есть такое чувство, что многие учителя сами этого не особо понимают)

Шикарная статья! Автор лучший! Я из-за твоих статей злез со всех ресурсов.) Только тут сижу теперь. Ты один своими статьями тащишь на порядок мощнее чем ресурсы с десятком авторов.

Успехов тебе. Огромных успехов!

Спасибо большое, Иван! Очень рад, что Вам здесь нравится.

Но тогда радиоволны или тепло — это тоже фотоны/шарики?

Не увидел ответа на этот вопрос, но вообще, да — все электромагнитные волны распространяются посредством фотонов. Электроны антенн радиопередатчиков излучают фотоны определённой энергии, а электроны антенн радиоприёмников поглощают эти фотоны и начинают из-за этого движение, которое в итоге и приводит к возникновению тока.

Если бы человеческий глаз умел видеть в радиодиапазоне, то радиовышки мы бы воспринимали как очень яркие прожекторы, которые видно за десятки километров.

Хорошая статья! А где можно прочитать вторую часть?

Кажется, автор начал слишком издалека. Для большинства пользователей смартфонов это не нужно. А те, кто не прогуливал уроки физики в школе и так это знают.

К сожалению, не могу с Вами согласиться. Буквально на днях увидел в интернете забавный вопрос, корни которого растут как раз из того, что школьные уроки физики были неинтересны, а статьи в интернете начинаются не слишком издалека.

Так вот, человека интересовало, можно ли вывести из организма электромагнитное излучение, полученное от гаджетов…

В понимании этого человека, электромагнитное излучение является неким веществом, которое попадает в организм и находится там, пока его оттуда не выведешь. Вот для таких людей мы и начинаем обычно издалека.

Разумеется, уровень образования у каждого разный и то, что Вам кажется банальным и очевидным, для других становится настоящим откровением.

Спасибо огромное за статью. Физику изучаю в течении всей жизни и каждый раз пытаюсь погрузиться чуть глубже в понимание процессов, но все равно всегда остаются непонятные мне вещи.
Что подразумевается под концами проводов, ведь для движения частиц система должна быть замкнута?
В институте мне говорили, что при отключении провода от источника питания частицы никуда не деваются,а просто останавливают движение,
а из статьи можно сделать вывод, что они пропадают из провода, оказываясь на его концах

Что подразумевается под концами проводов, ведь для движения частиц система должна быть замкнута?

Нет, это совсем не обязательно. Для движения частиц нужна только сила, которая будет их толкать, а замкнут ли провод или разомкнут — не суть важно. Главное — где-то взять электрическое поле.

Для этого можно воспользоваться батарейкой — специальным устройством с электрическим полем. У батарейки на одном конце положительный заряд, а на другом — отрицательный. Если соединить эти два конца проводом, то все электроны ощутят на себе силу электрического поля и поплывут от отрицательного конца к положительному и будет ток.

Но в случае с электромагнитной волной, сам провод непосредственно «погружается» в электрическое поле. Когда волна «смотрит» вверх, все электроны внутри провода ощущают на себе силу, которая толкает их вниз. Затем волна проходит, электрическое поле исчезает и электроны останавливаются.

при отключении провода от источника питания частицы никуда не деваются, а просто останавливают движение

Безусловно, так и есть. Если быть более точным, то электроны никогда не останавливаются, они находятся в непрерывном движении внутри провода, так как там есть локальные электрические поля, создаваемые атомами и другими электронами. Просто электроны движутся хаотично во всех направлениях. А ток — это движение всех электронов в одном направлении.

из статьи можно сделать вывод, что они пропадают из провода, оказываясь на его концах

Смотрите, когда в определенный момент времени электрическое поле достигает максимума, электроны оказываются на одном из концов провода (того провода, который оказался «погруженным» в электрическое поле и который испытывает на себе его силу).

Это совершенно неестественное поведение для электронов. Они не могут собираться вместе, так как все они — отрицательно заряженные частицы. А одноименные заряды всегда отталкиваются. И именно электрическое поле силой удерживает их на одном из концов провода.

Но как только электрическое поле начнет ослабевать (а это волна, которая приходит и уходит), его силы будет уже недостаточно для того, чтобы удерживать все электроны в одном месте. Поэтому какие-то электроны начнут отлетать от конца провода. И чем слабее будет становиться поле, тем больше электронов будет отталкиваться друг от друга и занимать более свободное пространство внутри провода, где нет переизбытка одноименных зарядов.

К тому моменту, когда электрическое поле полностью исчезнет, все электроны уже будут равномерно распределены по проводу.

Именно это я пытался наглядно показать на рисунке, где схематически отображается электрическая волна, а под ней — то, что происходит в проводе. Обратите внимание, что когда волна спадает до нуля (на горизонтальной линии), электроны равномерно распределены по проводу.

Как возникают электромагнитные волны

Bremsstrahlung («тормозное излучение») — ударная волна света, которая генерируется, когда заряженные частицы «застревают» в твердом теле (классический процесс генерации излучения в рентгеновских вакуумных трубках).

Для многих вполне естественно ассоциировать электрическое и магнитное поля с векторами и силовыми линиями. Но как этими математическими объектами описать волны? Когда они возникают? Ответы на эти вопросы можно получить с помощью школьных формул с щепоткой специальной теории относительности.

По старой традиции, начинаем плясать от печки. Пусть имеются две заряженные параллельные пластины. Электрическое поле между ними равномерно, и равно нулю снаружи (пренебрегаем краевыми эффектами). Также мы сажаем на систему неподвижную гауссову поверхность — это абстрактная рамка, через которую вычисляется поток векторного поля. Каково электрическое поле нашего конденсатора в системе отсчета, где он находится в движении?

Начнем со случая, где движение происходит в направлении, параллельном пластинам. Они начинают претерпевать лоренцево сокращение, при этом расстояние между ними не меняется, и общий заряд на каждой пластине сохраняется. Далее предполагаем, что читатель провел достаточное количество бессонных ночей разбираясь с парадоксами специальной теории относительности (Чтобы освежевать память, предлагаю просмотреть ламповый советский видеоролик). Таким образом, рамка фиксирует что заряд на единицу площади увеличивается в , а поле также возрастает на этот Лоренц-фактор.

Разберем детальней. Гауссова рамка оседлала положительно-заряженную пластину, причем одна грань снаружи, а другая — внутри области ненулевого электрического поля. Применяя закон Гаусса можно показать, что величина электрического поля между пластинами равна

где штрих обозначает величину, измеренную в рамке в которой пластины движутся, а сигма — поверхностная плотность заряда пластины. Поскольку пластины сокращаются по длине, поверхностная плотность заряда отличается от оной для неподвижных пластин вот так

Поглядывая на первую формулу заключаем, что величина поля тоже претерпевает действие лоренцева множителя. То есть, электрическое поле в загрунтованной рамке сильнее, чем в той, что будет двигаться вместе с пластинами.

А как будет выглядеть ситуация, если движение происходит в направлении, перпендикулярном пластинам, то есть параллельно полю Е? В этом случае сокращение длины не влияет на размер пластин, хотя и уменьшает расстояние между ними. Но расстояние между парой близко расположенных, равномерно заряженных пластин не влияет на напряженность поля между ними.

Тогда рассмотрим самый общий случай, когда движение происходит в некотором диагональном направлении относительно поля. В этом случае мы можем рассматривать поле как суперпозицию поля параллельного и поля перпендикулярного движению. Каждое из них как бы порождается своим набором соответствующим образом ориентированных пластин. Затем одна пара пластин сжимается по длине, как описано выше, и вносит вклад в общее поле:

Важно помнить, что такого рода телодвижения применимы только в том случае, если источник поля с точки зрения незакрепленной рамки будет находиться в состоянии покоя. Поскольку всегда существует некоторая система отсчета, в которой любой конкретный источник находится в состоянии покоя, этих уравнений достаточно для решения широкого круга задач. Заметим, что закон преобразования для вектора электрического поля сильно отличается от закона преобразования для обычных векторов перемещения (которые сжимаются в направлении вдоль движения и неизменны в перпендикулярных направлениях).

Равномерное движение точечного заряда

Следующим шагом будет рассмотрение поля единичного точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью. В своей системе покоя электрическое поле положительного точечного заряда имеет одинаковую силу во всех направлениях. Как выглядит это поле в какой-то другой системе отсчета? Применяя наш подход к неоднородному электрическому полю, мы должны быть очень осторожны, так как придется следить не только за величиной поля, но и за тем, где оно имеет эту величину. Поэтому представим себе, что наш точечный заряд окружен сферической оболочкой. В нашей системе отсчета и частица, и ее сфера движутся.

Таким образом, сокращение длины говорит о том, что сфера сплющивается в сфероид, как показано в поперечном сечении на рисунке:


(a) Точечный заряд в состоянии покоя, окруженный воображаемой сферой. Электрическое поле в любой точке сферы направлено прямо в сторону от заряда. (b) В системе отсчета, где заряд и сфера движутся вправо, сфера сжимается по длине, но вертикальная составляющая поля становится сильнее. Эти два эффекта объединяются, чтобы заставить поле снова указывать прямо от текущего местоположения заряда.

Теперь рассмотрим величину электрического поля в некой точке поверхности сферы. Ее координата имеет х и у компоненты. Вектор поля идущий от заряда через эту некую точку также вполне представим как пара компонент, причем справедливо соотношение:

В нашей системе отсчета, где заряд движется, длина x в направлении движения уменьшается:

(в то время как y-составляющая смещения одинакова в обоих случаях). Однако, согласно результатам предыдущего раздела, y-составляющая поля усиливается аналогичным множителем:

(в то время как х-компонента поля одинакова на обеих картинках). Таким образом, соотношение компонентов поля

Другими словами, поле в фиксированной рамке указывает прямо на заряд, как и в движущейся. Накидаем схематически электрическое поле точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью:


Электрическое поле точечного заряда движущегося вправо с постоянной скоростью, равной 4/5 скорости света.

Чем быстрее движется заряд, тем заметнее становится усиление перпендикулярной составляющей поля. Если скорость заряда намного меньше скорости света, то это усиление часто пренебрежимо мало.

Поле ускоряющегося заряда

Итак, когда точечный заряд движется с постоянной скоростью, его электрическое поле всегда направлено прямо от него, радиально. В свете специальной теории относительности это может показаться странным, поскольку никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Почему же тогда поле в каком-то отдаленном месте указывает прямо на то место, где заряд находится сейчас, а не на то, где он был некоторое время назад? Означает ли это, что информация о движении заряда мгновенно распространяется по всей Вселенной? Ну, не обязательно.

Видите ли, частица уже некоторое время движется с постоянной скоростью по предсказуемому курсу. Поэтому, если вы находитесь в далеком месте, вы могли бы организоваться так, чтобы частица посылала вам информацию о своем положении и скорости, а вы, получив эту информацию, экстраполировали бы движение чтобы выяснить, где частица должна находиться. Однако ваша схема предсказания положения частицы будет разрушена, если частица претерпит некоторое ускорение между тем моментом, когда она послала вам информацию, и настоящим.

Вы могли бы подумать, что частица продолжает двигаться с постоянной скоростью, и поле в вашем местоположении указывало бы в сторону того места, где частица была бы сейчас, если бы не было факта ускорения. Но на самом деле частицы там нет.

Например, предположим, что частица сначала движется вправо со скоростью 1/4 скорости света, а затем внезапно отскакивает от стены и с той же скоростью летит обратно. Через одну секунду новость об отскоке не могла пройти дальше одной световой секунды (300 000 км). Если вы находитесь ближе, чем на одну световую секунду к месту отскока, то вы уже получили известие, и поле в вашем местоположении указывает туда, где сейчас находится частица. Но если вы находитесь дальше, чем на одну световую секунду от места отскока, то новость еще не дошла до вас, и поле в вашем местоположении указывает туда, где частица была бы сейчас, если бы не было отскока.


Положительно заряженная частица, первоначально движущаяся вправо со скоростью 1/4 скорости света, отскакивает от стены в точке В. Частица сейчас находится в точке А, но если бы не было отскока, она была бы сейчас в точке С. Окружность (фактически поперечное сечение сферы) охватывает область пространства, в которую уже поступила новость об отскоке; внутри этой окружности (как в точке D) электрическое поле указывает прямо на точку A. Вне окружности (как в точке E) новость еще не поступила, поэтому поле указывает прямо на точку C. Со временем круг расширяется наружу со скоростью света, а точки А и С удаляются от точки В со скоростью 1/4 скорости света.

Из специальной теории относительности мы знаем, что никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Предположим наилучший возможный случай: информация распространяется точно со скоростью света, но не быстрее. Этого предположения вместе с законом Гаусса достаточно, чтобы определить электрическое поле повсюду вокруг ускоренного заряда. Полная карта электрического поля ускоренного заряда оказывается довольно сложной. Вместо того чтобы представлять поле в виде пучка стрелок, гораздо удобнее использовать более абстрактное представление в виде линий поля. Силовые линии — это непрерывные линии в пространстве, идущие параллельно направлению электрического поля. Таким образом, рисунок силовых линий в некой области немедленно сообщает нам направление электрического поля, хоть определить его величину и не так просто.

Так будет выглядеть карта полевых линий для нашей ситуации

Линии поля через серую сферическую оболочку опускаем, так как эта область как раз в разгаре получения новостей об ускорении частицы. Чтобы определять направление поля здесь, представьте, что гауссовская рамка изогнута (на рисунке обозначена пунктирной линией, которая оседлает серую оболочку. Эта поверхность должна быть симметричной относительно линии, по которой движется частица; если смотреть вдоль этой линии, рамка будет круглой).

Гауссова поверхность не содержит электрического заряда, поэтому закон Гаусса говорит нам, что полный поток E через нее должен быть равен нулю. Теперь рассмотрим поток, проходящий через различные части поверхности. На внешней (правой) части есть положительный поток, в то время как на внутренней (левой) части есть отрицательный поток. Но эти два вклада в поток не отменяют друг друга, так как поле значительно сильнее снаружи, чем внутри. Это происходит потому, что поле снаружи — это поле точечного заряда, расположенного в точке С, в то время как поле внутри — это поле точечного заряда, расположенного в точке А, и С значительно ближе, чем А. Таким образом, общий поток через внутреннюю и внешнюю части поверхности является положительным. Чтобы отменить этот положительный поток, остальные края рамки должны пропускать отрицательный поток.

Таким образом, электрическое поле внутри серой оболочки должно иметь ненулевую составляющую вдоль оболочки, по направлению к центру гауссовой поверхности. Будем называть эту составляющую поперечным полем, поскольку она указывает в поперечном (то есть перпендикулярном) чисто радиальном направлении поля с обеих сторон. Чтобы быть более точными относительно направления поля внутри серой оболочки, рассмотрим модифицированную гауссову поверхность

Ужимаем внешнюю поверхность ef до тех пор, пока она не уменьшится до того же угла относительно точки С, что и внутренняя поверхность ab, если смотреть с точки A. Теперь потоки через ab и ef действительно взаимокомпенсируются. Отрезки bc и de выбраны так, чтобы они были точно параллельны линиям поля в их местоположении, поэтому поток через эти участки поверхности отсутствует.

И тогда, для того, чтобы общий поток был равен нулю, он должен быть нулевым и через сегмент cd. Это означает, что электрическое поле внутри серой оболочки должно быть параллельно cd. Если стартануть с точки А и пойти по любой линии поля наружу, то придется навернуть резкий угол на внутреннем краю серой оболочки, а затем пройти вдоль оболочки и медленно выйти наружу, сделав еще один резкий поворот на внешнем краю. (Толщина серой оболочки определяется длительностью ускорения заряда.)

И вот выходит итоговая иллюстрация силовых линий. Поперечная часть электрического поля ускоренного заряда также называется полем излучения, поскольку со временем она «излучается» наружу в сферу, расширяющуюся со скоростью света. Если ускорение заряженной частицы достаточно велико, то поле излучения может быть достаточно сильным, воздействуя на далекие заряды гораздо сильнее, чем обычное радиальное поле заряда, движущегося с постоянной скоростью. Поле излучения может также накапливать относительно большое количество энергии, которая уносится от создавшего ее заряда.

Сила поля излучения

Чтобы превратить качественные идеи предыдущего раздела в количественные формулы,
рассмотрим несколько более простую ситуацию, в которой положительно заряженная частица вначале летит вправо, а потом внезапно останавливается. Пусть v₀ — начальная скорость, и пусть замедление начинается в момент времени t = 0 и заканчивается в момент времени t = t₀. Предположим, что ускорение является постоянным в течение этого временного интервала:

Также положим, что v₀ намного меньше скорости света, так что релятивистское сжатие и растяжение электрического поля, обсуждаемые ранее, пренебрежимо малы. Покажем ситуацию в некоторый момент времени T, значительно более поздний, чем t₀. «Импульс» излучения содержится в сферической оболочке толщиной ct₀ и радиусом cT. Вне этой оболочки электрическое поле указывает в сторону от того места, где была бы частица, если бы она продолжала двигаться; эта точка находится на расстоянии v₀T справа от ее фактического местоположения. (Расстояние, пройденное во время торможения ничтожно мало в этом масштабе.) На рисунке для ясности показана только одна полевая линия, выходящая под углом θ от направления движения частицы. В этой линии есть резкий изгиб, когда она проходит через оболочку, как обсуждалось выше. Мы хотели бы знать, насколько сильно электрическое поле внутри оболочки.

Давайте разберем искривленное поле на две составляющие: радиальную составляющую , которая указывает в сторону от местоположения частицы, и поперечную составляющую , которая указывает в перпендикулярном направлении

Соотношение этих компонентов определяется направлением излома

Мы можем найти радиальную компоненту, применив закон Гаусса к крошечной рамке, расположенной на внутренней поверхности оболочки (Gaussian pillbox на рисунке). Пусть стороны рамки будут бесконечно короткими, чтобы поток через них был ничтожен. Тогда, поскольку чистый поток через рамку равен нулю, радиальная составляющая вектора E (то есть составляющая, перпендикулярная верхней и нижней частям рамки) должна быть одинаковой с каждой стороны внутренней поверхности оболочки. Но внутри сферы излучения электрическое поле задается законом Кулона. Таким образом, радиальная составляющая искривленного поля равна

где q — заряд частицы. Подставим это уравнение в предыдущее и используем тот факт, что R = cT:

Хотя выражение выводилось для частного случая, когда конечная скорость частицы равна нулю, оно верно и в более общих случаях. (Чтобы убедиться в этом, рассмотрите случай, когда частица сначала находится в состоянии покоя, а затем получает внезапный удар вправо).

Таким образом, у нас есть все, что нужно знать о силе импульса излучения. Во-первых, обратите внимание, что поперечное поле пропорционально 1/R, а не квадрату. Это означает, что с течением времени и увеличением R, поперечное поле становится намного сильнее радиального; на очень больших расстояниях радиальным полем можно полностью пренебречь, и поле будет чисто поперечным. Во-вторых, рассмотрим зависимость от угла θ: она слабее всего вдоль направления движения (θ = 0 или 180°) и сильнее всего под прямым углом к движению (θ = 90°). Оглядываясь на предыдущий рисунок, мы видим, что размер излома в поле является качественным показателем напряженности поля. Наконец, обратите внимание, что сила поперечного поля пропорциональна а, величине ускорения частицы. Чем больше ускорение, тем сильнее импульс излучения.

Этот импульс излучения несет в себе энергию. Вспомним из электростатики, что энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, пропорциональна квадрату напряженности поля. В нашем случае это подразумевает

Поскольку объем сферической оболочки (самой оболочки, а не области, которую она охватывает) пропорционален квадрату радиуса, полная энергия, содержащаяся в ней, не изменяется с течением времени и увеличением R. Таким образом, когда заряженная частица ускоряется, она теряет энергию для своего окружения в количестве, пропорциональном квадрату ее ускорения. Этот процесс является основным механизмом, лежащим в основе всего электромагнитного излучения: видимого света и его невидимых собратьев, от радиоволн до гамма-лучей.

Формула Лармора

Теперь можно перейти к приложениям. Выведем точную формулу для энергии, излучаемой ускоренной заряженной частицей. Энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, равна

Как только импульс становится достаточно большим, мы можем пренебречь радиальной составляющей поля и просто подключить для . В результате получается

Если нас не волнует направление, в котором идет энергия, то удобно усреднить уравнение по всем направлениям. Провернем один математический трюк. Введем координатную систему с началом координат в центре сферы и осью вдоль первоначального направления движения частицы. Тогда для любой точки (x, y, z) на сферической оболочке cosθ = x/R. Используя угловые скобки〈 〉для обозначения среднего значения по всем точкам на оболочке, запишем тождество

Теперь, поскольку начало координат находится в центре сферы, придется согласиться, что среднее значение квадрата икс равно среднему значению и для квадратов других компонент:

но тогда выходит, что

Ну, а так как и R — константа по всей оболочке, то:

Таким образом, средняя энергия на единицу объема, запасенная в поперечном электрическом поле, равна

Для получения полной энергии, накопленной в поперечном электрическом поле, необходимо умножить полученное выражение на объем сферической оболочки. Площадь поверхности оболочки равна 4πR², а ее толщина — ct₀, поэтому ее объем является произведением этих множителей. Тогда общая энергия

Заметим, что полная энергия не зависит от R; то есть оболочка несет в себе фиксированное количество энергии, которое не уменьшается по мере ее расширения. До сих пор в обсуждениях фигурировало только электрическое поле ускоренного заряда. Но оказывается, что есть еще и магнитное поле, которое уносит равное количество энергии. В принципе, ошибка в два раза не так существенна для нашей формулы, но все же будем честными. Оставим все интересности связанные с магнитным полем на следующий раз, а пока все же учтем, что суммарная энергия, переносимая импульсом излучения, в два раза больше, чем в последнем уравнении, или

Обычно удобнее разделить обе стороны этого уравнения на длительность ускорения частицы t₀. Левая сторона тогда становится энергией, излучаемой частицей в единицу времени, или мощностью, выделяемой во время ускорения:

Этот результат называется формула Лармора, так как он был впервые получен (с использованием более сложного метода) Джозефом Лармором в 1897 году. Вывод, приведенный здесь, был впервые опубликован Джозефом Томсоном (первооткрывателем электрона) в 1907 году. Хотя наш вывод опиратся на частный случай, когда конечная скорость частицы равна нулю, формула Лармора справедлива для любого вида ускоренного движения при условии, что скорость частицы всегда намного меньше скорости света. Тем не менее, можно сделать и обобщение на релятивистский случай.

Электромагнитные Волны

В предыдущем разделе мы пришли к выводу, что когда заряженная частица ускоряется, часть ее электрического поля вырывается на свободу и удаляется со скоростью света, образуя импульс электромагнитного излучения. Часто на практике заряженные частицы непрерывно колеблются взад и вперед, посылая один импульс за другим в периодической последовательности. Вот пример электрического поля вокруг колеблющегося заряда

Если проследить прямую линию от заряда в центре рисунка, можно заметить, что поле колеблется взад и вперед. Расстояние, на котором повторяется направление поля, называется длиной волны. Например, точки А и В находятся на расстоянии одной длины волны друг от друга.

Если вы сидите в неподвижной точке и наблюдаете, как электрическое поле проходит мимо, вы обнаружите, что его направление колеблется. Время, за которое паттерн повторяется один раз, называется периодом волны и равно времени, за которое заряд источника повторяет один цикл своего движения. Период также равен времени, за которое волна проходит расстояние в одну длину волны. Поскольку она движется со скоростью света, мы можем заключить, что длина волны и период связаны пропорцией

где λ («лямбда») — стандартный символ для длины волны, а Т — это стандартный символ для периода, и с — скорость света. Частота колебания обратнопропорциональна периоду. Из соображений традиции и удобства, электромагнитные волны разной длины называются по-разному. Радиоволны с длиной волны в метр и более генерируются относительно легко, когда заряд проходит вверх и вниз по антенне. Несколько более короткие длины волн используются для телевизионной и микроволновой связи. Инфракрасные волны — длина волны от миллиметра до 700 нанометров; случайные микроскопические движения, присутствующие во всей материи при комнатной температуре, вызывают излучение инфракрасного излучения с длиной волны около сотой доли миллиметра. Более горячие объекты, такие как Солнце, испускают излучение в видимом спектре, который охватывает диапазон 400-700 нанометров, к которому чувствителен человеческий глаз. Длина волны видимого света определяет его цвет, причем красный свет имеет самую длинную длину волны, а фиолетовый — самую короткую. Еще более коротковолновые волны относятся к ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучам.

Почему небо голубое?

Солнце испускает видимый свет всех цветов, который бомбардирует атмосферу Земли. Атмосфера относительно прозрачна для большей части этого света. Но если бы атмосфера была полностью прозрачной, небо казалось бы черным. По-видимому, часть света от Солнца рассеивается или отклоняется молекулами воздуха. Когда мы смотрим на небо в направлении от Солнца, мы видим этот рассеянный свет, который в основном синий, и наоборот, красный свет легче проходит толщу атмосферы, что делает его видимым, когда Солнце находится вблизи горизонта. Но почему молекулы воздуха рассеивают синий свет больше, чем красный? Очевидно, короткие волны рассеиваются гораздо сильнее, чем длинные. Мы можем понять это явление, представив простую модель процесса рассеяния и применив результаты вышепроведенных выкладок, согласно которым энергия, излучаемая ускоренным зарядом, пропорциональна квадрату ускорения. Рассмотрим один атом азота или кислорода в атмосфере.

Для наших целей лучше всего представить атом как крошечную точку с положительным зарядом (ядро), окруженную большим облаком размазанного отрицательного заряда (электроны). Заряды компенсируются, и атом электрически нейтрален. Теперь предположим, что мимо проходит электромагнитная волна. Электрическое поле в месте расположения атома сначала указывает вверх, затем вниз, затем снова вверх, снова вниз… (Для видимого света длина волны намного больше, чем размер атома.) Хотя нейтральный атом не чувствует чистой силы от этого электрического поля, его составляющие действительно чувствуют силы, поэтому они слегка отклоняются в противоположных направлениях. Впрочем, далеко они не уходят, так как потенциал дает о себе знать. Это похоже на то, как если бы электроны и ядро были соединены вместе жесткой пружиной. Когда волна проходит мимо, ядро слегка колеблется вверх и вниз на той же частоте, что и волна. Мы можем описать его положение как:

где ω = 2πc/λ и λ-длина волны. Пока «пружина» очень жесткая, амплитуда x₀ будет зависеть только от силы электрического поля, а не от длины волны. Поскольку ядро колеблется вверх и вниз, оно само испускает электромагнитное излучение с одинаковой частотой и длиной волны. Согласно предыдущим пунктам, излучаемая энергия пропорциональна квадрату ускорения. Ускорение ядра определяется как вторая производная его положения:

Теперь мы можем определить, как количество излучаемой энергии зависит от длины волны:

Эта формула гласит, что коротковолновая волна заставляет ядро излучать гораздо больше энергии, чем длинноволновая. То же самое верно и в отношении излучения, испускаемого электронами, которые колеблются в противоположном направлении с той же частотой. Это электромагнитное излучение, испускаемое атомом, несет в себе энергию, и энергия должна откуда-то браться. Должно быть правдоподобным, что энергия исходит от поступающей волны, возбуждающей атомные колебания. Эта волна продолжает свой путь, но часть ее энергии была потеряна. Не будем вдаваться в точный механизм этого процесса на данном этапе — просто уповаем на сохранение энергии.

Таким образом, можно заключить, что когда проходит световая волна, атом забирает из нее некоторую энергию и вновь излучает эту энергию как волну той же длины во все направления. Из последнего уравнения видно, что этот процесс гораздо эффективнее для коротковолнового (то есть фиолетового и синего) света, чем для длинноволнового. Вот почему небо голубое. И наоборот, когда смесь различных цветов света проходит через большое количество воздуха, большая часть синего света удаляется, оставляя в основном красный. Вот почему так прекрасны закаты.

Кто-то может возразить, дескать, небо фиолетовое, но на восприятии человека сказывается предрасположенность к синему спектру из-за строения колбочек в глазах, да и вообще, в ваших расчетах слишком много частностей и допущений. Наиболее правильным будет обратить его внимание на неравномерность интенсивности спектра Солнца. А более строгий вывод формулы Лармора осуществляется через уравнения Максвелла, потенциалы Лиенара-Вихерта и функции Грина. Подобные строгие выкладки приводят к тому же результату и описаны во многих книжках по электродинамике (Например Е.Ю.Петров Излучение электромагнитных волн движущимися заряженными частицами). Мы же использовали лекционные наброски Дэниела Шрёдера, который в свою очередь опирался на потрясающий учебник Эдварда Перселла «Электричество и магнетизм», что во многом наглядней и более интуитивно.

Электромагнитные волны: что это, влияние и сферы применения

Сияющий свет на темном фоне

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. . 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.
  2. 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.

Диапазоны электромагнитных волн

Диапазоны электромагнитных волн: Freepick

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.

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.

Бирюзовое радио на розовом фоне

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *