1864. gadā Džeimss Klerks Maksvels paredzēja elektromagnētisko viļņu iespējamību kosmosā. Šo apgalvojumu viņš izvirzīja, pamatojoties uz secinājumiem, kas izriet no visu tolaik zināmo eksperimentālo datu analīzes par elektrību un magnētismu.
Maksvels matemātiski apvienoja elektrodinamikas likumus, savienojot elektriskās un magnētiskās parādības, un tādējādi nonāca pie secinājuma, ka laika gaitā mainīgie elektriskie un magnētiskie lauki ģenerē viens otru.
Sākotnēji viņš koncentrējās uz faktu, ka attiecības starp magnētiskajām un elektriskajām parādībām nav simetriskas, un ieviesa terminu "virpuļu elektriskais lauks", piedāvājot savu patiesi jauno Faradeja atklātās elektromagnētiskās indukcijas fenomena skaidrojumu: "ikvienas izmaiņas magnētiskajā jomā. lauks izraisa virpuļa elektriskā lauka apkārtējās telpas parādīšanos ar slēgtām spēka līnijām.
Pēc Maksvela domām, patiess bija arī pretējais apgalvojums: "mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku apkārtējā telpā", taču šis apgalvojums sākotnēji palika tikai hipotēze.
Maksvels pierakstīja matemātisko vienādojumu sistēmu, kas konsekventi aprakstīja magnētisko un elektrisko lauku savstarpējo transformāciju likumus; vēlāk šie vienādojumi kļuva par elektrodinamikas pamatvienādojumiem un sāka saukt par “Maksvela vienādojumiem” par godu izcilajam zinātniekam, kurš tos uzrakstīja. uz leju. Maksvela hipotēzei, kas balstīta uz rakstītajiem vienādojumiem, bija vairāki zinātnei un tehnoloģijai ārkārtīgi svarīgi secinājumi, kas sniegti tālāk.
Elektromagnētiskie viļņi patiešām pastāv
Telpā var pastāvēt šķērsvirziena elektromagnētiskie viļņi, kas laika gaitā izplatās. Par to, ka viļņi ir šķērsvirzienā, liecina tas, ka magnētiskās indukcijas B un elektriskā lauka intensitātes E vektori ir savstarpēji perpendikulāri un abi atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās virzienam.
Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vielā ir ierobežots, un to nosaka vielas elektriskās un magnētiskās īpašības, caur kurām vilnis izplatās. Sinusoidālā viļņa garums λ ir saistīts ar ātrumu υ ar noteiktu precīzu attiecību λ = υ / f, un ir atkarīgs no lauka svārstību frekvences f. Elektromagnētiskā viļņa ātrums c vakuumā ir viena no fundamentālajām fizikālajām konstantēm – gaismas ātrums vakuumā.
Tā kā Maksvels deklarēja ierobežoto elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrumu, tas radīja pretrunu starp viņa hipotēzi un tolaik pieņemto tāldarbības teoriju, saskaņā ar kuru viļņu izplatīšanās ātrumam jābūt bezgalīgam. Tāpēc Maksvela teoriju sauca par īstermiņa darbības teoriju.
Elektromagnētiskajā vilnī vienlaikus notiek elektrisko un magnētisko lauku transformācija viens otrā, tāpēc magnētiskās enerģijas un elektriskās enerģijas tilpuma blīvumi ir vienādi. Tāpēc ir taisnība, ka elektriskā lauka intensitātes un magnētiskā lauka indukcijas moduļi ir saistīti viens ar otru katrā telpas punktā ar šādu attiecību:
Elektromagnētiskais vilnis tā izplatīšanās procesā rada elektromagnētiskās enerģijas plūsmu, un, ja ņemam vērā laukumu plaknē, kas ir perpendikulāra viļņa izplatīšanās virzienam, tad īsā laikā pārvietosies noteikts elektromagnētiskās enerģijas daudzums. caur to. Elektromagnētiskās enerģijas plūsmas blīvums ir enerģijas daudzums, ko elektromagnētiskais vilnis pārnes caur laukuma vienības virsmu laika vienībā. Aizvietojot ātruma, kā arī magnētiskās un elektriskās enerģijas vērtības, mēs varam iegūt plūsmas blīvuma izteiksmi E un B vērtību izteiksmē.
Tā kā viļņu enerģijas izplatīšanās virziens sakrīt ar viļņu izplatīšanās ātruma virzienu, tad elektromagnētiskajā vilnī izplatās enerģijas plūsmu var noteikt, izmantojot vektoru, kas virzīts tāpat kā viļņu izplatīšanās ātrumu. Šo vektoru sauca par “Pointinga vektoru” par godu britu fiziķim Henrijam Pointingam, kurš 1884. gadā izstrādāja elektromagnētiskā lauka enerģijas plūsmas izplatīšanās teoriju. Viļņu enerģijas plūsmas blīvumu mēra W/kv.m.
Kad elektriskais lauks iedarbojas uz vielu, tajā parādās nelielas strāvas, kas atspoguļo elektriski lādētu daļiņu sakārtotu kustību. Šīs strāvas elektromagnētiskā viļņa magnētiskajā laukā ir pakļautas ampēra spēka iedarbībai, kas tiek virzīts dziļi vielā. Ampēra spēks galu galā rada spiedienu.
Šo fenomenu vēlāk, 1900. gadā, pētīja un eksperimentāli apstiprināja krievu fiziķis Pjotrs Nikolajevičs Ļebedevs, kura eksperimentālajiem darbiem bija ļoti liela nozīme Maksvela elektromagnētisma teorijas apstiprināšanai un tās pieņemšanai un apstiprināšanai nākotnē.
Tas, ka elektromagnētiskais vilnis rada spiedienu, ļauj spriest, ka elektromagnētiskajam laukam ir mehānisks impulss, ko tilpuma vienībai var izteikt ar elektromagnētiskās enerģijas tilpuma blīvumu un viļņu izplatīšanās ātrumu vakuumā:
Tā kā impulss ir saistīts ar masas kustību, ir iespējams ieviest tādu jēdzienu kā elektromagnētiskā masa, un tad tilpuma vienībai šī attiecība (saskaņā ar STR) iegūs universāla dabas likuma raksturu un būt spēkā jebkuriem materiāliem ķermeņiem neatkarīgi no matērijas formas. Un tad elektromagnētiskais lauks ir līdzīgs materiālam ķermenim - tam ir enerģija W, masa m, impulss p un galīgais izplatīšanās ātrums v. Tas ir, elektromagnētiskais lauks ir viena no matērijas formām, kas faktiski pastāv dabā.
Pirmo reizi 1888. gadā Heinrihs Hercs eksperimentāli apstiprināja Maksvela elektromagnētisko teoriju. Viņš eksperimentāli pierādīja elektromagnētisko viļņu realitāti un pētīja to īpašības, piemēram, refrakciju un absorbciju dažādos medijos, kā arī viļņu atstarošanu no metāla virsmām.
Hercs izmērīja viļņa garumu un parādīja, ka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu. Herca eksperimentālais darbs bija pēdējais solis ceļā uz Maksvela elektromagnētiskās teorijas atzīšanu. Septiņus gadus vēlāk, 1895. gadā, krievu fiziķis Aleksandrs Stepanovičs Popovs izmantoja elektromagnētiskos viļņus, lai izveidotu bezvadu sakarus.
Līdzstrāvas ķēdēs lādiņi pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, un šajā gadījumā elektromagnētiskie viļņi netiek izstaroti kosmosā. Lai radiācija notiktu, ir jāizmanto antena, kurā tiek ierosinātas maiņstrāvas, tas ir, strāvas, kas ātri maina virzienu.
Vienkāršākajā formā elektromagnētisko viļņu izstarošanai ir piemērots maza izmēra elektriskais dipols, kura dipola moments ar laiku ātri mainītos. Tieši šāda veida dipolu mūsdienās sauc par “Herca dipolu”, kura izmērs ir vairākas reizes mazāks nekā tā izstarotā viļņa garums.
Izstarot Herca dipolu, maksimālā elektromagnētiskās enerģijas plūsma nokrīt uz plaknes, kas ir perpendikulāra dipola asij. Pa dipola asi nav elektromagnētiskās enerģijas starojuma. Herca svarīgākajos eksperimentos elementārie dipoli tika izmantoti gan elektromagnētisko viļņu izstarošanai, gan uztveršanai, un tika pierādīta elektromagnētisko viļņu esamība.
Vispārīgi jēdzieni par elektromagnētiskajiem viļņiem
Šodienas nodarbībā mēs apsvērsim tik nepieciešamo tēmu kā elektromagnētiskie viļņi. Un šī tēma ir svarīga kaut vai tāpēc, ka visa mūsu mūsdienu dzīve ir saistīta ar televīziju, radio apraidi un mobilajiem sakariem. Tāpēc ir vērts uzsvērt, ka tas viss tiek veikts elektromagnētisko viļņu dēļ.
Tagad pāriesim pie jautājuma detalizētāka izskatīšanas, kas saistīts ar elektromagnētiskajiem viļņiem, un, pirmkārt, mēs pateiksim šādu viļņu definīciju.
Kā jau jūs zināt, vilnis ir traucējums, kas izplatās telpā, tas ir, ja kaut kur ir noticis kāds traucējums un tas izplatās visos virzienos, tad mēs varam teikt, ka šī traucējuma izplatīšanās nav nekas vairāk kā viļņu parādība.
Elektromagnētiskie viļņi ir elektromagnētiskās svārstības, kas izplatās telpā ar ierobežotu ātrumu, kas ir atkarīgs no vides īpašībām. Citiem vārdiem sakot, mēs varam teikt, ka elektromagnētiskais vilnis ir elektromagnētiskais lauks vai elektromagnētiskie traucējumi, kas izplatās telpā.
Sāksim savu diskusiju ar faktu, ka elektromagnētiskā lauka elektromagnētisko viļņu teoriju pirmais radīja angļu zinātnieks Džeimss Maksvels. Interesantākais un ziņkārīgākais šajā darbā ir tas, ka izrādās, ka elektriskie un magnētiskie lauki, kā jūs zināt, un kopš tā laika ir pierādīts, ka tie pastāv kopā. Bet izrādās, ka tie var pastāvēt pilnīgi bez jebkādas vielas. Šis ļoti svarīgais secinājums tika izdarīts Džeimsa Klerka Maksvela darbos.
Izrādās, ka elektromagnētiskais lauks var pastāvēt arī tur, kur vielas nav. Mēs jums teicām, ka skaņas viļņi ir tikai tur, kur ir vide. Tas ir, vibrācijas, kas rodas ar daļiņām, spēj pārraidīt tikai tur, kur ir daļiņas, kurām ir iespēja pārraidīt šo traucējumu.
Bet kas attiecas uz elektromagnētisko lauku, tas var pastāvēt tur, kur nav vielas un nav daļiņu. Un tātad elektromagnētiskais lauks eksistē vakuumā, kas nozīmē, ka, ja mēs radām noteiktus apstākļus un varam it kā radīt vispārējus elektromagnētiskus traucējumus telpā, tad attiecīgi šim traucējumam ir spēja izplatīties visos virzienos. Un tieši tas mums būs elektromagnētiskais vilnis.
Pirmais, kurš spēja izstarot elektromagnētisko viļņu un uztvert elektromagnētisko viļņu, bija vācu zinātnieks Heinrihs Hercs. Viņš bija pirmais, kurš izveidoja šādu instalāciju elektromagnētisko viļņu starojumam un uztveršanai.
Pirmkārt, mums šeit jāsaka, ka elektromagnētiskā viļņa izstarošanai mums, protams, ir nepieciešams diezgan ātri kustīgs elektriskais lādiņš. Mums ir jāizveido ierīce, kurā būs ļoti ātri kustīgs vai paātrināti kustīgs elektriskais lādiņš.
Heinrihs Hercs ar savu eksperimentu palīdzību pierādīja, ka, lai iegūtu spēcīgu un diezgan pamanāmu elektromagnētisko vilni, kustīgam elektriskā lādiņam ir jāsvārstās ļoti augstā frekvencē, tas ir, vairāku desmitu tūkstošu hercu lielumā. Jāuzsver arī tas, ka, ja šāda svārstība notiek pie lādiņa, tad ap to tiks ģenerēts mainīgs elektromagnētiskais lauks, kas izplatīsies visos virzienos. Tas ir, tas būs elektromagnētiskais vilnis.
Elektromagnētisko viļņu īpašības
Jāatzīmē arī fakts, ka elektromagnētiskajam vilnim, protams, ir noteiktas īpašības, un šīs īpašības bija precīzi norādītas Maksvela darbos.
Jāņem vērā arī tas, ka elektromagnētisko viļņu īpašībām ir zināmas atšķirības, un tās arī ļoti lielā mērā ir atkarīgas no tā garuma. Atkarībā no īpašībām un viļņa garuma elektromagnētiskos viļņus iedala diapazonos. Viņiem ir diezgan patvaļīga skala, jo blakus esošie diapazoni mēdz pārklāties viens ar otru.
Ir arī noderīgi zināt, ka dažām jomām ir kopīgas īpašības. Šīs īpašības ietver:
Iespiešanās spēja;
liels izplatīšanās ātrums vielā;
ietekme uz cilvēka ķermeni, gan pozitīva, gan negatīva utt.
Elektromagnētisko viļņu veidi ietver radioviļņus, ultravioleto un infrasarkano staru diapazonu, redzamo gaismu, kā arī rentgenstarus, gamma starojumu un citus.
Tagad uzmanīgi apskatīsim zemāk esošo tabulu un sīkāk izpētīsim, kā var klasificēt elektromagnētiskos viļņus, kādi ir starojuma veidi, starojuma avoti, kā arī to biežums:
Interesanti fakti par elektromagnētiskajiem viļņiem
Droši vien nevienam nebūs noslēpums, ka telpa, kas mūs ieskauj, ir elektromagnētiskā starojuma caurstrāvota. Šāds starojums ir saistīts ne tikai ar telefona un radio antenām, bet arī ar mums apkārt esošajiem ķermeņiem, Zemi, Sauli un zvaigznēm. Atkarībā no svārstību frekvences elektromagnētiskajiem viļņiem var būt dažādi nosaukumi, taču to būtība ir līdzīga. Pie šādiem elektromagnētiskajiem viļņiem pieder radioviļņi, infrasarkanais starojums, redzamā gaisma, rentgena stari, kā arī biolauka stari.
Šāds neierobežots enerģijas avots kā elektromagnētiskais lauks izraisa atomu un molekulu elektrisko lādiņu svārstības. No tā izriet, ka svārstoties lādiņš pārvietojas ar paātrinājumu un tajā pašā laikā izstaro elektromagnētiskos viļņus.
Elektromagnētisko viļņu ietekme uz cilvēka veselību
Zinātniekus daudzus gadus uztrauc problēma, kas saistīta ar elektromagnētisko lauku ietekmi uz cilvēku, dzīvnieku un augu veselību, un tāpēc daudz laika velta šīs problēmas izpētei un izpētei.
Iespējams, katrs no jums ir bijis diskotēkās un pamanījis, ka ultravioleto spuldžu ietekmē gaišas drēbes sāka mirdzēt. Šis starojuma veids nerada briesmas dzīviem organismiem.
Bet, apmeklējot solāriju vai izmantojot ultravioletās lampas medicīniskiem nolūkiem, ir jāizmanto acu aizsarglīdzekļi, jo šāda iedarbība var izraisīt īslaicīgu redzes zudumu.
Tāpat, lietojot ultravioletās baktericīdas lampas, ar kurām dezinficē telpas, jābūt īpaši piesardzīgiem un, lietojot tās, jāiziet no telpas, jo tās negatīvi ietekmē cilvēka ādu, kā arī augus, izraisot lapu apdegumus.
Bet bez starojuma avotiem un dažādām ierīcēm mums apkārt, cilvēka ķermenim ir arī savs elektriskais un magnētiskais lauks. Bet jums arī jāzina, ka cilvēka ķermenī visā tā dzīves laikā elektromagnētiskajiem laukiem ir tendence pastāvīgi mainīties.
Lai noteiktu cilvēka elektromagnētisko lauku, tiek izmantota tāda precīza ierīce kā encefalogrāfs. Izmantojot šo ierīci, jūs varat precīzi izmērīt cilvēka elektromagnētisko lauku un noteikt tā aktivitāti smadzeņu garozā. Pateicoties tādas ierīces kā encefalogrāfa parādīšanās, kļuva iespējams diagnosticēt dažādas slimības pat agrīnā stadijā.
Elektromagnētiskais starojums pastāv tieši tik ilgi, kamēr dzīvo mūsu Visums. Tam bija galvenā loma dzīvības evolūcijā uz Zemes. Faktiski šis traucējums ir kosmosā izplatīta elektromagnētiskā lauka stāvoklis.
Elektromagnētiskā starojuma raksturojums
Jebkurš elektromagnētiskais vilnis ir aprakstīts, izmantojot trīs raksturlielumus.
1. Biežums.
2. Polarizācija.
Polarizācija– viens no galvenajiem viļņu atribūtiem. Apraksta elektromagnētisko viļņu šķērsenisko anizotropiju. Starojums tiek uzskatīts par polarizētu, ja visas viļņu svārstības notiek vienā plaknē.
Šī parādība tiek aktīvi izmantota praksē. Piemēram, kinoteātros, rādot 3D filmas.
Izmantojot polarizāciju, IMAX brilles atdala attēlu, kas paredzēts dažādām acīm. 
Biežums– viļņu virsotņu skaits, kas iet garām novērotājam (šajā gadījumā detektoram) vienā sekundē. To mēra hercos.
Viļņa garums– noteikts attālums starp tuvākajiem elektromagnētiskā starojuma punktiem, kuru svārstības notiek vienā fāzē.
Elektromagnētiskais starojums var izplatīties gandrīz jebkurā vidē: no blīvas vielas līdz vakuumam.
Izplatīšanās ātrums vakuumā ir 300 tūkstoši km sekundē.
Lai iegūtu interesantu video par EM viļņu būtību un īpašībām, skatiet tālāk esošo videoklipu:
Elektromagnētisko viļņu veidi
Viss elektromagnētiskais starojums tiek dalīts ar frekvenci. 
1. Radio viļņi. Ir īsi, īpaši īsi, īpaši gari, gari, vidēji.
Radioviļņu garums svārstās no 10 km līdz 1 mm un no 30 kHz līdz 300 GHz.
To avoti var būt gan cilvēka darbība, gan dažādas dabas atmosfēras parādības.
2. . Viļņa garums svārstās no 1 mm līdz 780 nm un var sasniegt līdz 429 THz. Infrasarkano starojumu sauc arī par termisko starojumu. Visas dzīvības pamats uz mūsu planētas.
3. Redzamā gaisma. Garums 400 - 760/780 nm. Attiecīgi tas svārstās starp 790-385 THz. Tas ietver visu starojuma spektru, ko var redzēt cilvēka acs.
4. . Viļņa garums ir īsāks nekā infrasarkanā starojuma viļņa garums.
Var sasniegt līdz 10 nm. šādi viļņi ir ļoti lieli - apmēram 3x10^16 Hz.
5. Rentgenstari. viļņi ir 6x10^19 Hz, un garums ir aptuveni 10 nm - 5 pm.
6. Gamma viļņi. Tas ietver jebkuru starojumu, kas ir lielāks par rentgena stariem, un garums ir mazāks. Šādu elektromagnētisko viļņu avots ir kosmiskie, kodolprocesi.
Piemērošanas joma
Kaut kur kopš 19. gadsimta beigām viss cilvēces progress ir saistīts ar elektromagnētisko viļņu praktisku izmantošanu.
Pirmā lieta, ko vērts pieminēt, ir radio sakari. Tas deva cilvēkiem iespēju sazināties, pat ja viņi atradās tālu viens no otra.
Satelīta apraide un telekomunikācijas ir primitīvo radiosakaru tālāka attīstība.
Tieši šīs tehnoloģijas ir veidojušas mūsdienu sabiedrības informatīvo tēlu.
Par elektromagnētiskā starojuma avotiem jāuzskata gan lielas rūpniecības iekārtas, gan dažādas elektropārvades līnijas.
Elektromagnētiskos viļņus aktīvi izmanto militārajās lietās (radari, sarežģītas elektriskās ierīces). Arī medicīna nevarētu iztikt bez to izmantošanas. Infrasarkano starojumu var izmantot daudzu slimību ārstēšanai.
Rentgenstari palīdz noteikt cilvēka iekšējo audu bojājumus.
Lāzerus izmanto, lai veiktu vairākas darbības, kurām nepieciešama precīza precizitāte. 
Elektromagnētiskā starojuma nozīmi cilvēka praktiskajā dzīvē ir grūti pārvērtēt.
Padomju video par elektromagnētisko lauku:
Iespējama negatīva ietekme uz cilvēkiem
Lai gan spēcīgi elektromagnētiskā starojuma avoti ir noderīgi, tie var izraisīt tādus simptomus kā:
Nogurums;
Galvassāpes;
Slikta dūša.
Pārmērīga dažu veidu viļņu iedarbība izraisa iekšējo orgānu, centrālās nervu sistēmas un smadzeņu bojājumus. Iespējamas izmaiņas cilvēka psihē.
Interesants video par EM viļņu ietekmi uz cilvēkiem:
Lai izvairītos no šādām sekām, gandrīz visās pasaules valstīs ir standarti, kas regulē elektromagnētisko drošību. Katram starojuma veidam ir savi normatīvie dokumenti (higiēnas standarti, radiācijas drošības standarti). Elektromagnētisko viļņu ietekme uz cilvēkiem nav pilnībā izpētīta, tāpēc PVO iesaka līdz minimumam samazināt to iedarbību.
Elektromagnētiskie viļņi (kuru tabula tiks sniegta zemāk) ir telpā izplatīti magnētisko un elektrisko lauku traucējumi. Ir vairāki to veidi. Fizika pēta šos traucējumus. Elektromagnētiskie viļņi veidojas tāpēc, ka mainīgs elektriskais lauks ģenerē magnētisko lauku, kas, savukārt, ģenerē elektrisko.
Pētījumu vēsture
Pirmās teorijas, kuras var uzskatīt par senākajām hipotēžu versijām par elektromagnētiskajiem viļņiem, ir datētas vismaz ar Huygens laiku. Šajā periodā pieņēmumi sasniedza izteiktu kvantitatīvu attīstību. Huigenss 1678. gadā izdeva sava veida teorijas “skici” - “Traktāts par gaismu”. 1690. gadā viņš publicēja vēl vienu ievērojamu darbu. Tajā tika izklāstīta kvalitatīvā atstarošanas un refrakcijas teorija tādā formā, kādā tā joprojām tiek pasniegta skolu mācību grāmatās (“Elektromagnētiskie viļņi”, 9. klase).
Tajā pašā laikā tika formulēts Huygens princips. Ar tās palīdzību kļuva iespējams izpētīt viļņu frontes kustību. Šis princips vēlāk tika izstrādāts Fresnela darbos. Huygens-Fresnel princips bija īpaši svarīgs difrakcijas teorijā un gaismas viļņu teorijā.
1660.-1670. gados Huks un Ņūtons sniedza lielu eksperimentālu un teorētisku ieguldījumu pētniecībā. Kurš atklāja elektromagnētiskos viļņus? Kurš veica eksperimentus, lai pierādītu to esamību? Kādi elektromagnētisko viļņu veidi pastāv? Vairāk par to vēlāk.
Maksvela pamatojums
Pirms runāt par to, kurš atklāja elektromagnētiskos viļņus, jāsaka, ka pirmais zinātnieks, kurš vispār paredzēja to eksistenci, bija Faradejs. Savu hipotēzi viņš izvirzīja 1832. gadā. Pēc tam Maksvels strādāja pie teorijas veidošanas. Līdz 1865. gadam viņš pabeidza šo darbu. Rezultātā Maksvels teoriju stingri formulēja matemātiski, pamatojot aplūkojamo parādību esamību. Viņš arī noteica elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu, kas sakrita ar toreiz izmantotā gaismas ātruma vērtību. Tas savukārt ļāva viņam pamatot hipotēzi, ka gaisma ir viens no aplūkojamajiem starojuma veidiem.
Eksperimentālā noteikšana
Maksvela teoriju apstiprināja Herca eksperimenti 1888. gadā. Šeit jāsaka, ka vācu fiziķis veica savus eksperimentus, lai atspēkotu teoriju, neskatoties uz tās matemātisko pamatojumu. Tomēr, pateicoties saviem eksperimentiem, Hertz kļuva par pirmo, kurš praktiski atklāja elektromagnētiskos viļņus. Turklāt savu eksperimentu laikā zinātnieks identificēja starojuma īpašības un īpašības.
Hercs ieguva elektromagnētiskās svārstības un viļņus, vibratorā ierosinot virkni impulsu ar strauji mainīgu plūsmu, izmantojot augstsprieguma avotu. Augstas frekvences strāvas var noteikt, izmantojot ķēdi. Jo lielāka kapacitāte un induktivitāte, jo augstāka būs svārstību frekvence. Bet tajā pašā laikā augsta frekvence negarantē intensīvu plūsmu. Lai veiktu savus eksperimentus, Hertz izmantoja diezgan vienkāršu ierīci, ko šodien sauc par "Hertz vibratoru". Ierīce ir atvērta tipa svārstību ķēde.
Herca eksperimenta shēma
Radiācijas reģistrācija tika veikta, izmantojot uztverošo vibratoru. Šai ierīcei bija tāds pats dizains kā izstarojošajai ierīcei. Maiņstrāvas elektriskā lauka elektromagnētiskā viļņa ietekmē uztverošajā ierīcē tika ierosināta strāvas svārstība. Ja šajā ierīcē tā dabiskā frekvence un plūsmas frekvence sakrita, tad parādījās rezonanse. Rezultātā traucējumi uztverošajā ierīcē radās ar lielāku amplitūdu. Pētnieks tos atklāja, novērojot dzirksteles starp vadītājiem nelielā spraugā.
Tādējādi Hertz kļuva par pirmo, kurš atklāja elektromagnētiskos viļņus un pierādīja to spēju labi atstaroties no vadītājiem. Viņš praktiski pamatoja stāvoša starojuma veidošanos. Turklāt Hertz noteica elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu gaisā.
Raksturlielumu pētījums
Elektromagnētiskie viļņi izplatās gandrīz visos medijos. Telpā, kas piepildīta ar vielu, starojums dažos gadījumos var izplatīties diezgan labi. Bet tajā pašā laikā viņi nedaudz maina savu uzvedību.
Elektromagnētiskie viļņi vakuumā tiek uztverti bez vājināšanās. Tie ir sadalīti jebkurā, neatkarīgi no tā, cik lielā attālumā. Galvenās viļņu īpašības ir polarizācija, frekvence un garums. Īpašības ir aprakstītas elektrodinamikas ietvaros. Tomēr specifiskākas fizikas nozares nodarbojas ar starojuma īpašībām noteiktos spektra reģionos. Tajos ietilpst, piemēram, optika.
Cietā elektromagnētiskā starojuma izpēti īsviļņu spektra galā veic augstas enerģijas sekcija. Ņemot vērā mūsdienu idejas, dinamika pārstāj būt neatkarīga disciplīna un tiek apvienota ar vienu teoriju.
Īpašību izpētē izmantotās teorijas
Mūsdienās pastāv dažādas metodes, kas atvieglo svārstību izpausmju un īpašību modelēšanu un izpēti. Kvantu elektrodinamika tiek uzskatīta par fundamentālāko no pārbaudītajām un pabeigtajām teorijām. No tā, izmantojot noteiktus vienkāršojumus, kļūst iespējams iegūt tālāk uzskaitītās metodes, kuras tiek plaši izmantotas dažādās jomās.
Salīdzinoši zemas frekvences starojuma apraksts makroskopiskā vidē tiek veikts, izmantojot klasisko elektrodinamiku. Tas ir balstīts uz Maksvela vienādojumiem. Tomēr lietojumprogrammās ir vienkāršojumi. Optiskajā pētījumā tiek izmantota optika. Viļņu teorija tiek izmantota gadījumos, kad dažas optiskās sistēmas daļas ir tuvu viļņu garumiem. Kvantu optiku izmanto gadījumos, kad ir nozīmīgi fotonu izkliedes un absorbcijas procesi.
Ģeometriskā optiskā teorija ir ierobežojošs gadījums, kad viļņa garumu var ignorēt. Ir arī vairākas lietišķās un fundamentālās sadaļas. Tie ietver, piemēram, astrofiziku, vizuālās uztveres un fotosintēzes bioloģiju un fotoķīmiju. Kā tiek klasificēti elektromagnētiskie viļņi? Tālāk ir parādīta tabula, kas skaidri parāda sadalījumu grupās.
Klasifikācija
Ir elektromagnētisko viļņu frekvenču diapazoni. Starp tām nav asu pāreju, dažreiz tās pārklājas viena ar otru. Robežas starp tām ir diezgan patvaļīgas. Sakarā ar to, ka plūsma tiek sadalīta nepārtraukti, frekvence ir stingri saistīta ar garumu. Zemāk ir norādīti elektromagnētisko viļņu diapazoni.
Ultraīso starojumu parasti iedala mikrometros (submilimetrs), milimetrs, centimetrs, decimetrs, metrs. Ja elektromagnētiskais starojums ir mazāks par metru, tad to parasti sauc par ultraaugstas frekvences svārstību (mikroviļņu krāsni).
Elektromagnētisko viļņu veidi
Iepriekš ir norādīti elektromagnētisko viļņu diapazoni. Kādi straumju veidi pastāv? Grupā ietilpst gamma un rentgena stari. Jāteic, ka gan ultravioletā, gan pat redzamā gaisma spēj jonizēt atomus. Robežas, kurās atrodas gamma un rentgena plūsmas, tiek noteiktas ļoti nosacīti. Kā vispārīgs norādījums tiek pieņemtas 20 eV - 0,1 MeV robežas. Gamma plūsmas šaurā nozīmē izstaro kodols, rentgena plūsmas izstaro elektronu atomu apvalks elektronu izsitīšanas procesā no zemām orbītām. Tomēr šī klasifikācija nav piemērojama cietajam starojumam, kas rodas bez kodolu un atomu līdzdalības.
Rentgenstaru plūsmas veidojas, kad uzlādētas ātras daļiņas (protoni, elektroni un citi) palēninās un notiek procesu rezultātā, kas notiek atomu elektronu čaulu iekšpusē. Gamma svārstības rodas procesu rezultātā atomu kodolos un elementārdaļiņu transformācijas laikā.
Radio straumes
Tā kā garumi ir lieli, šos viļņus var uzskatīt, neņemot vērā vides atomisko struktūru. Izņēmuma kārtā darbojas tikai īsākās plūsmas, kas atrodas blakus spektra infrasarkanajam apgabalam. Radio diapazonā vibrāciju kvantu īpašības parādās diezgan vāji. Tomēr tie ir jāņem vērā, piemēram, analizējot molekulāro laiku un frekvences standartus iekārtas dzesēšanas laikā līdz vairāku kelvinu temperatūrai.
Aprakstot ģeneratorus un pastiprinātājus milimetru un centimetru diapazonā, tiek ņemtas vērā arī kvantu īpašības. Radio plūsma veidojas maiņstrāvas kustības laikā caur atbilstošās frekvences vadītājiem. Un garāmejošs elektromagnētiskais vilnis kosmosā uzbudina atbilstošo vilni. Šis īpašums tiek izmantots antenu projektēšanā radiotehnikā.
Redzamie pavedieni
Ultravioletais un infrasarkanais redzamais starojums šī vārda plašā nozīmē veido tā saukto spektra optisko daļu. Šīs zonas izvēli nosaka ne tikai atbilstošo zonu tuvums, bet arī pētījumos izmantoto un galvenokārt redzamās gaismas izpētes laikā izstrādāto instrumentu līdzība. Tie jo īpaši ietver spoguļus un lēcas starojuma fokusēšanai, difrakcijas režģi, prizmas un citus.
Optisko viļņu frekvences ir salīdzināmas ar molekulu un atomu frekvencēm, un to garums ir salīdzināms ar starpmolekulārajiem attālumiem un molekulu izmēriem. Tāpēc šajā jomā nozīmīgas kļūst parādības, ko izraisa matērijas atomu struktūra. Tā paša iemesla dēļ gaismai kopā ar viļņu īpašībām ir arī kvantu īpašības.
Optisko plūsmu rašanās
Slavenākais avots ir Saule. Zvaigznes virsmas (fotosfēras) temperatūra ir 6000° Kelvina, un tā izstaro spilgti baltu gaismu. Nepārtrauktā spektra augstākā vērtība atrodas “zaļajā” zonā - 550 nm. Šeit ir arī maksimālā vizuālā jutība. Svārstības optiskajā diapazonā rodas, kad ķermeņi tiek uzkarsēti. Tāpēc infrasarkanās plūsmas sauc arī par siltuma plūsmām.
Jo vairāk ķermenis uzsilst, jo augstāka ir frekvence, kurā atrodas spektra maksimums. Ar noteiktu temperatūras paaugstināšanos tiek novērota kvēlošana (spīdēšana redzamajā diapazonā). Šajā gadījumā vispirms parādās sarkans, pēc tam dzeltens un tā tālāk. Optisko plūsmu radīšana un reģistrēšana var notikt bioloģiskās un ķīmiskās reakcijās, no kurām viena tiek izmantota fotogrāfijā. Lielākajai daļai uz Zemes dzīvojošo radību fotosintēze kalpo kā enerģijas avots. Šī bioloģiskā reakcija notiek augos optiskā saules starojuma ietekmē.
Elektromagnētisko viļņu īpašības
Vides un avota īpašības ietekmē plūsmu īpašības. Tas jo īpaši nosaka lauku atkarību no laika, kas nosaka plūsmas veidu. Piemēram, mainoties attālumam no vibratora (tam palielinoties), izliekuma rādiuss kļūst lielāks. Tā rezultātā veidojas plaknes elektromagnētiskais vilnis. Mijiedarbība ar vielu arī notiek dažādos veidos.
Plūsmu absorbcijas un emisijas procesus, kā likums, var aprakstīt, izmantojot klasiskās elektrodinamiskās attiecības. Viļņiem optiskajā reģionā un cietajiem stariem to kvantu raksturs būtu jāņem vērā vēl vairāk.
Straumēšanas avoti
Neskatoties uz fizisko atšķirību, visur - radioaktīvā vielā, televīzijas raidītājā, kvēlspuldzē - elektromagnētiskos viļņus ierosina elektriskie lādiņi, kas pārvietojas ar paātrinājumu. Ir divi galvenie avotu veidi: mikroskopiskie un makroskopiskie. Pirmajā notiek pēkšņa uzlādētu daļiņu pāreja no viena līmeņa uz otru molekulu vai atomu iekšienē.
Mikroskopiskie avoti izstaro rentgena, gamma, ultravioleto, infrasarkano, redzamo un dažos gadījumos garo viļņu starojumu. Pēdējais piemērs ir līnija ūdeņraža spektrā, kas atbilst viļņa garumam 21 cm. Šai parādībai ir īpaša nozīme radioastronomijā.
Makroskopiskie avoti ir izstarotāji, kuros vadītāju brīvie elektroni veic periodiskas sinhronas svārstības. Šīs kategorijas sistēmās tiek ģenerētas plūsmas no milimetru skalas līdz garākajai (elektrības līnijās).
Plūsmu struktūra un stiprums
Paātrinātās un periodiski mainīgās strāvas ietekmē viena otru ar noteiktiem spēkiem. Virziens un to lielums ir atkarīgi no tādiem faktoriem kā apgabala lielums un konfigurācija, kurā atrodas strāvas un lādiņi, to relatīvais virziens un lielums. Būtiski ietekmē arī konkrētas vides elektriskie raksturlielumi, kā arī lādiņu koncentrācijas izmaiņas un avota strāvu sadalījums.
Problēmas izklāsta vispārējās sarežģītības dēļ spēku likumu nav iespējams uzrādīt vienas formulas veidā. Struktūru, ko sauc par elektromagnētisko lauku un vajadzības gadījumā uzskata par matemātisko objektu, nosaka lādiņu un strāvu sadalījums. To savukārt rada noteikts avots, ņemot vērā robežnosacījumus. Nosacījumus nosaka mijiedarbības zonas forma un materiāla īpašības. Ja mēs runājam par neierobežotu platību, šie apstākļi tiek papildināti. Radiācijas stāvoklis šādos gadījumos darbojas kā īpašs papildu nosacījums. Pateicoties tam, tiek garantēta lauka uzvedības “pareizība” bezgalībā.
Pētījuma hronoloģija
Lomonosovs dažos savos noteikumos paredz atsevišķus elektromagnētiskā lauka teorijas postulātus: daļiņu “rotācijas” (rotācijas) kustību, gaismas “oscilācijas” (viļņu) teoriju, tās kopību ar elektrības dabu utt. plūsmas 1800. gadā atklāja Heršels (angļu zinātnieks), un nākamajā, 1801. gadā, Riters aprakstīja ultravioleto starojumu. Radiāciju, kas ir mazāka par ultravioleto starojumu, atklāja Rentgens 1895. gadā, 8. novembrī. Pēc tam tas saņēma nosaukumu X-ray.
Elektromagnētisko viļņu ietekmi ir pētījuši daudzi zinātnieki. Taču pirmais, kas izpētīja plūsmu iespējas un to pielietojuma apjomu, bija Narkevičs-Jodko (Baltkrievijas zinātnieks). Viņš pētīja plūsmu īpašības saistībā ar praktisko medicīnu. Gamma starojumu atklāja Pols Vilards 1900. gadā. Tajā pašā laika posmā Planks veica teorētiskos pētījumus par melnā ķermeņa īpašībām. Studiju procesā viņš atklāja procesa kvantu raksturu. Viņa darbs iezīmēja attīstības sākumu, pēc tam tika publicēti vairāki Planka un Einšteina darbi. Viņu pētījumi noveda pie tāda jēdziena kā fotons veidošanās. Tas savukārt lika pamatu elektromagnētisko plūsmu kvantu teorijas izveidei. Tās attīstība turpinājās divdesmitā gadsimta vadošo zinātnisko darbinieku darbos.
Turpmākie pētījumi un darbs pie elektromagnētiskā starojuma kvantu teorijas un tā mijiedarbības ar vielu galu galā noveda pie kvantu elektrodinamikas veidošanās tādā formā, kādā tā pastāv šodien. Starp izcilajiem zinātniekiem, kas pētīja šo jautājumu, papildus Einšteinam un Plankam jānosauc Bors, Bose, Diraks, de Broglis, Heizenbergs, Tomonaga, Švingers, Feinmens.
Secinājums
Fizikas nozīme mūsdienu pasaulē ir diezgan liela. Gandrīz viss, kas mūsdienās tiek izmantots cilvēka dzīvē, parādījās, pateicoties lielo zinātnieku pētījumu praktiskajai izmantošanai. Elektromagnētisko viļņu atklāšana un jo īpaši to izpēte noveda pie tradicionālo un pēc tam mobilo tālruņu radio raidītāju radīšanas. Šādu teorētisko zināšanu praktiskā pielietošana ir īpaši svarīga medicīnas, rūpniecības un tehnoloģiju jomā.
Šāda plašā izmantošana ir saistīta ar zinātnes kvantitatīvo raksturu. Visi fizikālie eksperimenti ir balstīti uz mērījumiem, pētāmo parādību īpašību salīdzināšanu ar esošajiem standartiem. Tieši šim nolūkam disciplīnas ietvaros ir izstrādāts mērinstrumentu un vienību komplekss. Vairāki modeļi ir kopīgi visām esošajām materiālu sistēmām. Piemēram, enerģijas nezūdamības likumi tiek uzskatīti par vispārējiem fizikāliem likumiem.
Zinātne kopumā daudzos gadījumos tiek saukta par fundamentālu. Tas, pirmkārt, ir saistīts ar to, ka citas disciplīnas sniedz aprakstus, kas, savukārt, pakļaujas fizikas likumiem. Tādējādi ķīmijā tiek pētīti atomi, no tiem veidojušās vielas un pārvērtības. Bet ķermeņu ķīmiskās īpašības nosaka molekulu un atomu fizikālās īpašības. Šīs īpašības raksturo tādas fizikas nozares kā elektromagnētisms, termodinamika un citas.
