Năm 1864, James Clerk Maxwell dự đoán khả năng tồn tại sóng điện từ trong không gian. Ông đưa ra tuyên bố này dựa trên những kết luận nảy sinh từ việc phân tích tất cả dữ liệu thực nghiệm được biết đến vào thời điểm đó về điện và từ.
Maxwell đã thống nhất về mặt toán học các định luật điện động lực học, liên kết các hiện tượng điện và từ, và từ đó đi đến kết luận rằng điện trường và từ trường thay đổi theo thời gian sẽ sinh ra lẫn nhau.
Ban đầu, ông tập trung vào thực tế là mối quan hệ giữa các hiện tượng từ và điện không đối xứng, và đưa ra thuật ngữ “điện trường xoáy”, đưa ra lời giải thích thực sự mới của mình về hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện: “mọi thay đổi trong từ trường”. trường dẫn đến xuất hiện không gian xung quanh một điện trường xoáy có các đường sức khép kín.”
Theo Maxwell, phát biểu ngược lại cũng đúng: “một điện trường biến thiên sẽ làm phát sinh một từ trường trong không gian xung quanh”, nhưng phát biểu này ban đầu vẫn chỉ là một giả thuyết.
Maxwell đã viết ra một hệ phương trình toán học mô tả một cách nhất quán các định luật biến đổi lẫn nhau của từ trường và điện trường; những phương trình này sau này trở thành phương trình cơ bản của điện động lực học, và bắt đầu được gọi là “phương trình Maxwell” để vinh danh nhà khoa học vĩ đại đã viết ra chúng xuống. Giả thuyết của Maxwell dựa trên các phương trình đã viết đã có một số kết luận cực kỳ quan trọng đối với khoa học và công nghệ được đưa ra dưới đây.
Sóng điện từ thực sự tồn tại
Sóng điện từ ngang có thể tồn tại trong không gian và lan truyền theo thời gian. Việc sóng ngang được biểu thị bằng việc các vectơ cảm ứng từ B và cường độ điện trường E vuông góc với nhau và cả hai đều nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng điện từ.
Tốc độ truyền sóng điện từ trong một chất là hữu hạn và nó được xác định bởi tính chất điện và từ của chất mà sóng truyền qua. Độ dài của sóng hình sin λ có liên hệ với tốc độ υ theo một tỷ lệ chính xác nhất định λ = υ / f và phụ thuộc vào tần số f của dao động trường. Tốc độ c của sóng điện từ trong chân không là một trong những hằng số vật lý cơ bản - tốc độ ánh sáng trong chân không.
Vì Maxwell tuyên bố tốc độ lan truyền hữu hạn của sóng điện từ nên điều này tạo ra sự mâu thuẫn giữa giả thuyết của ông và lý thuyết về tác dụng tầm xa được chấp nhận vào thời điểm đó, theo đó tốc độ truyền sóng phải là vô hạn. Lý thuyết của Maxwell do đó được gọi là lý thuyết về tác dụng tầm ngắn.
Trong sóng điện từ, sự biến đổi đồng thời của điện trường và từ trường xảy ra nên mật độ thể tích của năng lượng từ và năng lượng điện bằng nhau. Vì vậy, đúng là mô đun cường độ điện trường và cảm ứng từ trường có liên hệ với nhau tại mỗi điểm trong không gian theo mối quan hệ sau:
Sóng điện từ trong quá trình truyền đi sẽ tạo ra một dòng năng lượng điện từ và nếu xét một diện tích trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng thì trong một thời gian ngắn sẽ có một lượng năng lượng điện từ nhất định chuyển động qua đó. Mật độ dòng năng lượng điện từ là lượng năng lượng được truyền bởi sóng điện từ qua bề mặt của một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Bằng cách thay thế các giá trị của tốc độ, cũng như năng lượng từ và điện, chúng ta có thể thu được biểu thức cho mật độ từ thông theo giá trị của E và B.
Vì hướng truyền của năng lượng sóng trùng với hướng của tốc độ truyền sóng nên dòng năng lượng truyền trong sóng điện từ có thể được xác định bằng cách sử dụng một vectơ có hướng giống như tốc độ truyền sóng. Vectơ này được gọi là “vectơ Poynting” - để vinh danh nhà vật lý người Anh Henry Poynting, người đã phát triển lý thuyết truyền dòng năng lượng trường điện từ vào năm 1884. Mật độ thông lượng năng lượng sóng được đo bằng W/sq.m.
Khi điện trường tác dụng lên một chất, những dòng điện nhỏ xuất hiện trong đó thể hiện sự chuyển động có trật tự của các hạt tích điện. Các dòng điện này trong từ trường của sóng điện từ chịu tác dụng của lực Ampe hướng sâu vào vật chất. Lực Ampe cuối cùng tạo ra áp suất.
Hiện tượng này sau đó, vào năm 1900, đã được nghiên cứu và xác nhận bằng thực nghiệm bởi nhà vật lý người Nga Pyotr Nikolaevich Lebedev, người có công trình thực nghiệm rất quan trọng trong việc xác nhận lý thuyết điện từ của Maxwell cũng như sự chấp nhận và chấp thuận của nó trong tương lai.
Việc sóng điện từ tác dụng áp suất cho phép người ta đánh giá rằng trường điện từ có một xung cơ học, có thể được biểu thị cho một đơn vị thể tích thông qua mật độ thể tích của năng lượng điện từ và tốc độ truyền sóng trong chân không:
Vì động lượng gắn liền với chuyển động của khối lượng, nên có thể đưa ra một khái niệm như khối lượng điện từ, và khi đó đối với một đơn vị thể tích, mối quan hệ này (theo STR) sẽ mang đặc điểm của một định luật phổ quát của tự nhiên, và sẽ có giá trị đối với bất kỳ cơ thể vật chất nào, bất kể dạng vật chất nào. Và trường điện từ khi đó gần giống với một vật thể - nó có năng lượng W, khối lượng m, động lượng p và tốc độ truyền cuối cùng là v. Nghĩa là, trường điện từ là một trong những dạng vật chất thực sự tồn tại trong tự nhiên.
Lần đầu tiên vào năm 1888, Heinrich Hertz đã xác nhận bằng thực nghiệm lý thuyết điện từ của Maxwell. Ông đã chứng minh bằng thực nghiệm tính thực tế của sóng điện từ và nghiên cứu các tính chất của chúng như khúc xạ và hấp thụ trong các môi trường khác nhau, cũng như sự phản xạ của sóng từ bề mặt kim loại.
Hertz đã đo bước sóng và chỉ ra rằng tốc độ truyền của sóng điện từ bằng tốc độ ánh sáng. Công trình thí nghiệm của Hertz là bước cuối cùng hướng tới sự công nhận lý thuyết điện từ của Maxwell. Bảy năm sau, vào năm 1895, nhà vật lý người Nga Alexander Stepanovich Popov đã sử dụng sóng điện từ để tạo ra thông tin liên lạc không dây.
Trong mạch điện một chiều, các điện tích chuyển động với tốc độ không đổi và trong trường hợp này sóng điện từ không được phát vào không gian. Để bức xạ xảy ra, cần phải sử dụng ăng-ten trong đó dòng điện xoay chiều bị kích thích, tức là dòng điện thay đổi hướng nhanh chóng.
Ở dạng đơn giản nhất, một lưỡng cực điện có kích thước nhỏ, có mômen lưỡng cực thay đổi nhanh chóng theo thời gian, thích hợp để phát ra sóng điện từ. Chính loại lưỡng cực này ngày nay được gọi là “lưỡng cực Hertz”, kích thước của nó nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng mà nó phát ra.
Khi được bức xạ bởi một lưỡng cực Hertzian, dòng năng lượng điện từ cực đại rơi trên mặt phẳng vuông góc với trục lưỡng cực. Không có bức xạ năng lượng điện từ dọc theo trục lưỡng cực. Trong những thí nghiệm quan trọng nhất của Hertz, các lưỡng cực cơ bản được sử dụng để vừa phát và nhận sóng điện từ, và sự tồn tại của sóng điện từ đã được chứng minh.
Khái niệm chung về sóng điện từ
Trong bài học hôm nay chúng ta sẽ xem xét một chủ đề cần thiết đó là sóng điện từ. Và chủ đề này rất quan trọng, nếu chỉ vì toàn bộ cuộc sống hiện đại của chúng ta được kết nối với truyền hình, phát thanh và thông tin di động. Vì vậy, điều cần nhấn mạnh là tất cả điều này được thực hiện nhờ sóng điện từ.
Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang xem xét chi tiết hơn vấn đề liên quan đến sóng điện từ và trước hết, chúng ta sẽ đưa ra định nghĩa về các sóng đó.
Như bạn đã biết, sóng là một nhiễu loạn lan truyền trong không gian, nghĩa là nếu một nhiễu loạn nào đó đã xảy ra ở đâu đó và nó lan truyền theo mọi hướng, thì chúng ta có thể nói rằng sự lan truyền của nhiễu loạn này không gì khác hơn là một hiện tượng sóng.
Sóng điện từ là những dao động điện từ lan truyền trong không gian với tốc độ hữu hạn, phụ thuộc vào tính chất của môi trường. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng sóng điện từ là một trường điện từ hoặc nhiễu loạn điện từ lan truyền trong không gian.
Hãy bắt đầu cuộc thảo luận của chúng ta với thực tế là lý thuyết về sóng điện từ của trường điện từ lần đầu tiên được tạo ra bởi nhà khoa học người Anh James Maxwell. Điều thú vị và tò mò nhất về công trình này là hóa ra điện trường và từ trường, như bạn đã biết, và vì chúng đã được chứng minh là tồn tại cùng nhau. Nhưng hóa ra chúng có thể tồn tại hoàn toàn mà không cần bất kỳ chất nào. Kết luận rất quan trọng này đã được đưa ra trong các tác phẩm của James Clerk Maxwell.
Hóa ra trường điện từ có thể tồn tại ngay cả ở nơi không có vật chất. Chúng tôi đã nói với bạn rằng sóng âm chỉ hiện diện ở nơi có môi trường. Nghĩa là, những dao động xảy ra với các hạt chỉ có khả năng truyền đi ở nơi có những hạt có khả năng truyền nhiễu loạn này.
Nhưng đối với trường điện từ, nó có thể tồn tại ở nơi không có chất và không có hạt. Và do đó, trường điện từ tồn tại trong chân không, có nghĩa là nếu chúng ta tạo ra một số điều kiện nhất định và có thể tạo ra nhiễu loạn điện từ chung trong không gian, thì nhiễu loạn này có khả năng lan truyền theo mọi hướng. Và đây chính xác là những gì chúng ta sẽ có sóng điện từ.
Người đầu tiên có khả năng phát ra sóng điện từ và nhận được sóng điện từ là nhà khoa học người Đức Heinrich Hertz. Ông là người đầu tiên tạo ra một hệ thống lắp đặt như vậy để phát xạ và thu sóng điện từ.
Điều đầu tiên chúng ta phải nói ở đây là để phát ra sóng điện từ, tất nhiên chúng ta cần một điện tích chuyển động khá nhanh. Chúng ta phải tạo ra một thiết bị trong đó sẽ có điện tích chuyển động rất nhanh hoặc chuyển động có gia tốc.
Heinrich Hertz, với sự trợ giúp của các thí nghiệm của mình, đã chứng minh rằng để thu được một sóng điện từ mạnh và khá đáng chú ý, một điện tích chuyển động phải dao động ở tần số rất cao, tức là ở mức vài chục nghìn hertz. Cũng cần nhấn mạnh rằng nếu một dao động như vậy xảy ra ở điện tích thì một trường điện từ xen kẽ sẽ được tạo ra xung quanh nó và lan ra mọi hướng. Tức là đây sẽ là sóng điện từ.
Tính chất của sóng điện từ
Cũng cần lưu ý một thực tế là sóng điện từ tất nhiên có những tính chất nhất định và những tính chất này đã được chỉ ra chính xác trong các tác phẩm của Maxwell.
Cũng cần lưu ý rằng tính chất của sóng điện từ có những khác biệt nhất định và cũng phụ thuộc rất nhiều vào độ dài của nó. Tùy thuộc vào tính chất và bước sóng, sóng điện từ được chia thành các dải. Chúng có thang đo khá tùy ý, vì các phạm vi liền kề có xu hướng chồng chéo lên nhau.
Cũng hữu ích khi biết rằng một số khu vực có đặc tính chung. Những tài sản này bao gồm:
Khả năng thâm nhập;
tốc độ lan truyền cao trong vật chất;
ảnh hưởng đến cơ thể con người, cả tích cực và tiêu cực, v.v.
Các loại sóng điện từ bao gồm sóng vô tuyến, tia cực tím và hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, cũng như tia X, bức xạ gamma và các loại khác.
Bây giờ chúng ta hãy xem kỹ bảng bên dưới và nghiên cứu chi tiết hơn cách phân loại sóng điện từ, có những loại bức xạ nào, nguồn bức xạ, cũng như tần số của chúng:
Sự thật thú vị về sóng điện từ
Có lẽ sẽ không có gì bí mật với bất cứ ai rằng không gian xung quanh chúng ta tràn ngập bức xạ điện từ. Bức xạ như vậy không chỉ liên quan đến ăng-ten điện thoại và vô tuyến mà còn liên quan đến các vật thể xung quanh chúng ta, Trái đất, Mặt trời và các ngôi sao. Tùy thuộc vào tần số dao động, sóng điện từ có thể có tên gọi khác nhau nhưng bản chất của chúng giống nhau. Các sóng điện từ như vậy bao gồm sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia X, cũng như tia năng lượng sinh học.
Nguồn năng lượng vô hạn như trường điện từ gây ra sự biến động về điện tích của các nguyên tử và phân tử. Từ đó, khi dao động, điện tích chuyển động với gia tốc và đồng thời phát ra sóng điện từ.
Tác động của sóng điện từ tới sức khỏe con người
Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã quan tâm đến vấn đề ảnh hưởng của điện từ trường đến sức khỏe con người, động vật và thực vật nên đã dành nhiều thời gian để nghiên cứu, tìm hiểu vấn đề này.
Chắc hẳn ai trong số các bạn cũng đã từng đến vũ trường và nhận thấy rằng dưới tác động của đèn cực tím, quần áo sáng màu bắt đầu phát sáng. Loại bức xạ này không gây nguy hiểm cho sinh vật sống.
Nhưng khi đến phòng tắm nắng hoặc sử dụng đèn cực tím cho mục đích y tế, cần phải sử dụng biện pháp bảo vệ mắt vì việc tiếp xúc như vậy có thể gây mất thị lực trong thời gian ngắn.
Ngoài ra, khi sử dụng đèn diệt khuẩn bằng tia cực tím dùng để khử trùng mặt bằng, bạn phải hết sức cẩn thận và khi sử dụng phải rời khỏi phòng vì chúng ảnh hưởng tiêu cực đến da người cũng như cây trồng, gây bỏng lá.
Nhưng ngoài các nguồn bức xạ và các thiết bị khác nhau xung quanh chúng ta, cơ thể con người còn có điện trường và từ trường riêng. Nhưng bạn cũng nên biết rằng trong cơ thể con người, trong suốt cuộc đời, trường điện từ có xu hướng thay đổi liên tục.
Để xác định trường điện từ của một người, người ta sử dụng một thiết bị chính xác như máy ghi não. Sử dụng thiết bị này, bạn có thể đo chính xác trường điện từ của một người và xác định hoạt động của nó trong vỏ não. Nhờ sự ra đời của một thiết bị như máy ghi não, người ta có thể chẩn đoán nhiều bệnh khác nhau ngay cả ở giai đoạn đầu.
Bức xạ điện từ tồn tại chính xác chừng nào Vũ trụ của chúng ta còn tồn tại. Nó đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của sự sống trên Trái đất. Trên thực tế, nhiễu loạn này là trạng thái của trường điện từ phân bố trong không gian.
Đặc điểm của bức xạ điện từ
Bất kỳ sóng điện từ nào cũng được mô tả bằng ba đặc điểm.
1. Tần số.
2. Phân cực.
Phân cực– một trong những thuộc tính sóng chính. Mô tả tính dị hướng ngang của sóng điện từ. Bức xạ được coi là phân cực khi tất cả các dao động sóng xảy ra trong cùng một mặt phẳng.
Hiện tượng này được sử dụng tích cực trong thực tế. Ví dụ như trong rạp chiếu phim khi chiếu phim 3D.
Sử dụng tính năng phân cực, kính IMAX sẽ tách hình ảnh dành cho các mắt khác nhau. 
Tính thường xuyên– số đỉnh sóng đi qua người quan sát (trong trường hợp này là máy dò) trong một giây. Nó được đo bằng Hertz.
Bước sóng- khoảng cách cụ thể giữa các điểm gần nhất của bức xạ điện từ, các dao động của chúng xảy ra cùng pha.
Bức xạ điện từ có thể lan truyền trong hầu hết mọi môi trường: từ vật chất đậm đặc đến chân không.
Tốc độ truyền trong chân không là 300 nghìn km mỗi giây.
Để có video thú vị về bản chất và tính chất của sóng EM, hãy xem video bên dưới:
Các loại sóng điện từ
Tất cả các bức xạ điện từ được chia theo tần số. 
1. Sóng vô tuyến. Có ngắn, siêu ngắn, cực dài, dài, trung bình.
Độ dài của sóng vô tuyến dao động từ 10 km đến 1 mm và từ 30 kHz đến 300 GHz.
Nguồn của chúng có thể là hoạt động của con người và các hiện tượng khí quyển tự nhiên khác nhau.
2. . Bước sóng dao động từ 1mm đến 780nm và có thể đạt tới 429 THz. Bức xạ hồng ngoại còn được gọi là bức xạ nhiệt. Cơ sở của mọi sự sống trên hành tinh của chúng ta.
3. Ánh sáng nhìn thấy được. Chiều dài 400 - 760/780 nm. Theo đó, nó dao động trong khoảng 790-385 THz. Điều này bao gồm toàn bộ phổ bức xạ mà mắt người có thể nhìn thấy.
4. . Bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia hồng ngoại.
Có thể đạt tới 10nm. những sóng như vậy rất lớn - khoảng 3x10^16 Hz.
5. Chụp X-quang. sóng có tần số 6x10^19 Hz và có chiều dài khoảng 10 nm - 5 giờ chiều.
6. Sóng gamma.Điều này bao gồm bất kỳ bức xạ nào lớn hơn tia X và có chiều dài ngắn hơn. Nguồn của sóng điện từ như vậy là các quá trình vũ trụ, hạt nhân.
Phạm vi ứng dụng
Ở đâu đó kể từ cuối thế kỷ 19, mọi tiến bộ của con người đều gắn liền với việc sử dụng sóng điện từ trong thực tế.
Điều đáng nói đầu tiên là thông tin vô tuyến. Nó mang lại cho mọi người cơ hội giao tiếp, ngay cả khi họ ở xa nhau.
Phát sóng vệ tinh và viễn thông là sự phát triển hơn nữa của truyền thông vô tuyến nguyên thủy.
Chính những công nghệ này đã định hình nên hình ảnh thông tin của xã hội hiện đại.
Nguồn bức xạ điện từ nên được coi là cả các cơ sở công nghiệp lớn và các đường dây điện khác nhau.
Sóng điện từ được sử dụng tích cực trong các vấn đề quân sự (rađa, các thiết bị điện phức tạp). Ngoài ra, y học không thể làm được nếu không sử dụng chúng. Bức xạ hồng ngoại có thể được sử dụng để điều trị nhiều bệnh.
Tia X giúp xác định tổn thương các mô bên trong của một người.
Laser được sử dụng để thực hiện một số hoạt động đòi hỏi độ chính xác cao. 
Tầm quan trọng của bức xạ điện từ trong đời sống thực tế của con người rất khó để đánh giá quá cao.
Video của Liên Xô về trường điện từ:
Tác động tiêu cực có thể xảy ra đối với con người
Mặc dù hữu ích nhưng các nguồn bức xạ điện từ mạnh có thể gây ra các triệu chứng như:
Mệt mỏi;
Đau đầu;
Buồn nôn.
Tiếp xúc quá nhiều với một số loại sóng có thể gây tổn thương các cơ quan nội tạng, hệ thần kinh trung ương và não. Những thay đổi trong tâm lý con người là có thể.
Một video thú vị về tác dụng của sóng EM đối với con người:
Để tránh những hậu quả như vậy, hầu hết các nước trên thế giới đều có tiêu chuẩn quản lý an toàn điện từ. Mỗi loại bức xạ đều có văn bản quy định riêng (tiêu chuẩn vệ sinh, tiêu chuẩn an toàn bức xạ). Tác động của sóng điện từ đối với con người chưa được nghiên cứu đầy đủ nên WHO khuyến cáo giảm thiểu việc tiếp xúc với chúng.
Sóng điện từ (bảng sẽ được đưa ra dưới đây) là sự nhiễu loạn của từ trường và điện trường phân bố trong không gian. Có một số loại trong số họ. Vật lý nghiên cứu những nhiễu loạn này. Sóng điện từ được hình thành do một điện trường xoay chiều tạo ra một từ trường, từ đó tạo ra một điện trường.
Lịch sử nghiên cứu
Những lý thuyết đầu tiên, có thể được coi là phiên bản lâu đời nhất của các giả thuyết về sóng điện từ, có niên đại ít nhất là từ thời Huygens. Trong thời gian đó, các giả định đã đạt đến sự phát triển về mặt định lượng rõ rệt. Huygens vào năm 1678 đã phát hành một loại “bản phác thảo” về lý thuyết - “Chuyên luận về ánh sáng”. Năm 1690, ông xuất bản một tác phẩm đáng chú ý khác. Nó phác thảo lý thuyết định tính về sự phản xạ và khúc xạ dưới dạng mà nó vẫn được trình bày trong sách giáo khoa ở trường ngày nay (“Sóng điện từ,” lớp 9).
Đồng thời, nguyên tắc Huygens được hình thành. Với sự trợ giúp của nó, người ta có thể nghiên cứu chuyển động của mặt sóng. Nguyên tắc này sau đó được phát triển trong các tác phẩm của Fresnel. Nguyên lý Huygens-Fresnel có tầm quan trọng đặc biệt trong lý thuyết nhiễu xạ và lý thuyết sóng ánh sáng.
Trong những năm 1660-1670, Hooke và Newton đã có những đóng góp lớn về mặt lý thuyết và thực nghiệm cho nghiên cứu. Ai đã phát hiện ra sóng điện từ? Ai đã tiến hành các thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của chúng? Có những loại sóng điện từ nào? Thêm về điều này sau.
Cơ sở lý luận của Maxwell
Trước khi nói về người phát hiện ra sóng điện từ, cần phải nói rằng nhà khoa học đầu tiên dự đoán chung về sự tồn tại của chúng là Faraday. Ông đưa ra giả thuyết của mình vào năm 1832. Maxwell sau đó đã nghiên cứu xây dựng lý thuyết này. Đến năm 1865 ông hoàn thành công việc này. Kết quả là, Maxwell đã xây dựng lý thuyết một cách chặt chẽ về mặt toán học, chứng minh sự tồn tại của các hiện tượng đang được xem xét. Ông cũng xác định được tốc độ truyền của sóng điện từ, trùng khớp với giá trị của tốc độ ánh sáng được sử dụng khi đó. Ngược lại, điều này cho phép ông chứng minh giả thuyết rằng ánh sáng là một trong những loại bức xạ đang được xem xét.
Phát hiện thử nghiệm
Lý thuyết của Maxwell đã được xác nhận trong các thí nghiệm của Hertz năm 1888. Ở đây cần phải nói rằng nhà vật lý người Đức đã tiến hành các thí nghiệm của mình để bác bỏ lý thuyết này, bất chấp sự biện minh về mặt toán học của nó. Tuy nhiên, nhờ các thí nghiệm của mình, Hertz đã trở thành người đầu tiên khám phá ra sóng điện từ trên thực tế. Ngoài ra, trong quá trình thí nghiệm của mình, nhà khoa học đã xác định được tính chất và đặc điểm của bức xạ.
Hertz thu được các dao động điện từ và sóng bằng cách kích thích một chuỗi xung có dòng biến đổi nhanh trong máy rung sử dụng nguồn điện áp cao. Dòng điện tần số cao có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một mạch điện. Điện dung và độ tự cảm càng cao thì tần số dao động sẽ càng cao. Nhưng đồng thời, tần số cao không đảm bảo dòng chảy mạnh. Để thực hiện các thí nghiệm của mình, Hertz đã sử dụng một thiết bị khá đơn giản mà ngày nay được gọi là “máy rung Hertz”. Thiết bị này là một mạch dao động loại mở.
Sơ đồ thí nghiệm Hertz
Việc đăng ký bức xạ được thực hiện bằng cách sử dụng máy rung tiếp nhận. Thiết bị này có thiết kế giống với thiết bị phát ra tín hiệu. Dưới tác động của sóng điện từ của điện trường xoay chiều, một dòng điện dao động được kích thích trong thiết bị thu. Nếu trong thiết bị này tần số riêng của nó và tần số của dòng chảy trùng nhau thì sẽ xuất hiện cộng hưởng. Kết quả là nhiễu loạn ở thiết bị thu xảy ra với biên độ lớn hơn. Nhà nghiên cứu phát hiện ra chúng bằng cách quan sát tia lửa điện giữa các dây dẫn trong một khe hở nhỏ.
Nhờ đó, Hertz trở thành người đầu tiên phát hiện ra sóng điện từ và chứng minh khả năng phản xạ tốt từ dây dẫn của chúng. Ông đã chứng minh một cách thực tế sự hình thành của bức xạ đứng. Ngoài ra, Hertz còn xác định tốc độ truyền sóng điện từ trong không khí.
Nghiên cứu đặc điểm
Sóng điện từ lan truyền trong hầu hết các môi trường. Trong một không gian chứa đầy vật chất, trong một số trường hợp bức xạ có thể được phân bố khá tốt. Nhưng đồng thời họ cũng thay đổi phần nào hành vi của mình.
Sóng điện từ trong chân không được phát hiện mà không bị suy giảm. Chúng được phân phối trên bất kỳ khoảng cách nào, bất kể khoảng cách lớn đến đâu. Các đặc điểm chính của sóng bao gồm độ phân cực, tần số và độ dài. Các tính chất được mô tả trong khuôn khổ điện động lực học. Tuy nhiên, các nhánh vật lý cụ thể hơn đề cập đến các đặc tính của bức xạ ở một số vùng nhất định của quang phổ. Chúng bao gồm, ví dụ, quang học.
Việc nghiên cứu bức xạ điện từ cứng ở đầu phổ sóng ngắn được thực hiện bởi phần năng lượng cao. Khi tính đến những ý tưởng hiện đại, động lực học không còn là một môn học độc lập nữa mà được kết hợp với một lý thuyết.
Các lý thuyết được sử dụng trong nghiên cứu tính chất
Ngày nay, có nhiều phương pháp khác nhau tạo điều kiện thuận lợi cho việc mô hình hóa và nghiên cứu các biểu hiện và tính chất của dao động. Điện động lực học lượng tử được coi là cơ bản nhất trong số các lý thuyết đã được thử nghiệm và hoàn thiện. Từ đó, thông qua một số đơn giản hóa nhất định, có thể thu được các phương pháp được liệt kê dưới đây, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau.
Việc mô tả bức xạ tần số tương đối thấp trong môi trường vĩ mô được thực hiện bằng điện động lực học cổ điển. Nó dựa trên phương trình Maxwell. Tuy nhiên, có sự đơn giản hóa trong các ứng dụng. Nghiên cứu quang học sử dụng quang học. Lý thuyết sóng được sử dụng trong trường hợp một số bộ phận của hệ quang học có kích thước gần bằng bước sóng. Quang học lượng tử được sử dụng khi các quá trình tán xạ và hấp thụ photon là đáng kể.
Lý thuyết quang học hình học là một trường hợp giới hạn trong đó bước sóng có thể bị bỏ qua. Ngoài ra còn có một số phần ứng dụng và cơ bản. Ví dụ, chúng bao gồm vật lý thiên văn, sinh học về nhận thức thị giác và quang hợp, và quang hóa. Sóng điện từ được phân loại như thế nào? Một bảng mô tả rõ ràng sự phân bổ thành các nhóm được trình bày dưới đây.
Phân loại
Có các dải tần của sóng điện từ. Không có sự chuyển tiếp rõ ràng giữa chúng, đôi khi chúng chồng lên nhau. Ranh giới giữa chúng khá tùy ý. Do dòng chảy được phân phối liên tục nên tần số liên quan chặt chẽ đến độ dài. Dưới đây là phạm vi của sóng điện từ.
Bức xạ siêu ngắn thường được chia thành micromet (dưới milimet), milimet, centimet, decimet, mét. Nếu bức xạ điện từ nhỏ hơn một mét thì nó thường được gọi là dao động tần số siêu cao (vi sóng).
Các loại sóng điện từ
Trên đây là các dải sóng điện từ. Có những loại luồng nào? Nhóm này bao gồm gamma và tia X. Cần phải nói rằng cả tia cực tím và thậm chí cả ánh sáng khả kiến đều có khả năng ion hóa các nguyên tử. Các ranh giới trong đó các dòng tia gamma và tia X được xác định rất có điều kiện. Theo hướng dẫn chung, giới hạn 20 eV - 0,1 MeV được chấp nhận. Thông lượng gamma theo nghĩa hẹp được phát ra từ hạt nhân, thông lượng tia X được phát ra bởi lớp vỏ nguyên tử electron trong quá trình đánh bật các electron ra khỏi quỹ đạo ở vị trí thấp. Tuy nhiên, cách phân loại này không áp dụng được cho bức xạ cứng được tạo ra mà không có sự tham gia của hạt nhân và nguyên tử.
Dòng tia X được hình thành khi các hạt tích điện nhanh (proton, electron và các loại khác) chậm lại và là kết quả của các quá trình xảy ra bên trong vỏ electron nguyên tử. Dao động gamma phát sinh do các quá trình bên trong hạt nhân nguyên tử và trong quá trình biến đổi các hạt cơ bản.
Luồng phát thanh
Do độ dài có giá trị lớn nên các sóng này có thể được xem xét mà không tính đến cấu trúc nguyên tử của môi trường. Là một ngoại lệ, chỉ những dòng ngắn nhất, tiếp giáp với vùng hồng ngoại của quang phổ, mới hoạt động. Trong phạm vi vô tuyến, tính chất lượng tử của rung động xuất hiện khá yếu. Tuy nhiên, chúng phải được tính đến, ví dụ, khi phân tích các tiêu chuẩn về thời gian và tần số phân tử trong quá trình làm mát thiết bị đến nhiệt độ vài kelvin.
Các đặc tính lượng tử cũng được tính đến khi mô tả máy phát điện và bộ khuếch đại trong phạm vi milimet và centimet. Luồng vô tuyến được hình thành trong quá trình chuyển động của dòng điện xoay chiều qua các dây dẫn có tần số tương ứng. Và một sóng điện từ truyền qua trong không gian sẽ kích thích sóng điện từ tương ứng. Đặc tính này được sử dụng trong thiết kế ăng-ten trong kỹ thuật vô tuyến.
Chủ đề hiển thị
Theo nghĩa rộng của từ này, bức xạ tử ngoại và hồng ngoại tạo thành phần quang học của quang phổ. Việc lựa chọn khu vực này không chỉ được xác định bởi sự gần gũi của các vùng tương ứng mà còn bởi sự giống nhau của các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu và được phát triển chủ yếu trong quá trình nghiên cứu ánh sáng khả kiến. Đặc biệt, chúng bao gồm gương và thấu kính để hội tụ bức xạ, cách tử nhiễu xạ, lăng kính và các loại khác.
Tần số của sóng quang tương đương với tần số của phân tử và nguyên tử, độ dài của chúng tương đương với khoảng cách giữa các phân tử và kích thước phân tử. Do đó, các hiện tượng do cấu trúc nguyên tử của vật chất gây ra trở nên quan trọng trong lĩnh vực này. Vì lý do tương tự, ánh sáng, cùng với tính chất sóng, còn có tính chất lượng tử.
Sự xuất hiện của dòng quang học
Nguồn nổi tiếng nhất là Mặt trời. Bề mặt của ngôi sao (quang quyển) có nhiệt độ 6000° Kelvin và phát ra ánh sáng trắng sáng. Giá trị cao nhất của phổ liên tục nằm ở vùng “xanh” - 550 nm. Đây cũng là nơi có độ nhạy thị giác tối đa. Dao động trong phạm vi quang học xảy ra khi vật thể được làm nóng. Do đó, dòng hồng ngoại còn được gọi là dòng nhiệt.
Cơ thể càng nóng lên thì tần số nơi đặt cực đại của quang phổ càng cao. Với sự gia tăng nhiệt độ nhất định, sự phát sáng (phát sáng trong phạm vi nhìn thấy) được quan sát thấy. Trong trường hợp này, màu đỏ xuất hiện trước, sau đó là màu vàng, v.v. Việc tạo ra và ghi lại các dòng quang học có thể xảy ra trong các phản ứng sinh học và hóa học, một trong số đó được sử dụng trong nhiếp ảnh. Đối với hầu hết các sinh vật sống trên Trái đất, quá trình quang hợp đóng vai trò là nguồn năng lượng. Phản ứng sinh học này xảy ra ở thực vật dưới tác động của bức xạ quang học mặt trời.
Đặc điểm của sóng điện từ
Các tính chất của môi trường và nguồn ảnh hưởng đến đặc tính của dòng chảy. Đặc biệt, điều này thiết lập sự phụ thuộc thời gian của các trường, xác định loại dòng chảy. Ví dụ: khi khoảng cách từ bộ rung thay đổi (khi nó tăng lên), bán kính cong sẽ lớn hơn. Kết quả là một sóng điện từ phẳng được hình thành. Tương tác với chất này cũng xảy ra theo những cách khác nhau.
Theo quy luật, các quá trình hấp thụ và phát ra từ thông có thể được mô tả bằng các quan hệ điện động lực học cổ điển. Đối với các sóng trong vùng quang học và đối với tia cứng, bản chất lượng tử của chúng cần được tính đến nhiều hơn.
Nguồn luồng
Bất chấp sự khác biệt về mặt vật lý, ở mọi nơi - trong chất phóng xạ, máy phát tivi, đèn sợi đốt - sóng điện từ đều bị kích thích bởi các điện tích chuyển động có gia tốc. Có hai loại nguồn chính: vi mô và vĩ mô. Đầu tiên, có sự chuyển đổi đột ngột của các hạt tích điện từ cấp này sang cấp khác bên trong các phân tử hoặc nguyên tử.
Các nguồn vi mô phát ra tia X, gamma, tia cực tím, hồng ngoại, nhìn thấy và trong một số trường hợp là bức xạ sóng dài. Một ví dụ về trường hợp sau là vạch phổ của hydro, tương ứng với bước sóng 21 cm, hiện tượng này có tầm quan trọng đặc biệt trong thiên văn vô tuyến.
Nguồn vĩ mô là nguồn phát trong đó các electron tự do của dây dẫn thực hiện dao động đồng bộ tuần hoàn. Trong các hệ thống thuộc loại này, các dòng điện từ quy mô milimet đến quy mô dài nhất (trong đường dây điện) được tạo ra.
Cấu trúc và cường độ của dòng chảy
Các dòng điện thay đổi theo chu kỳ và gia tốc sẽ tác động lẫn nhau với những lực nhất định. Hướng và độ lớn của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước và cấu hình của vùng chứa dòng điện và điện tích, hướng và độ lớn tương đối của chúng. Các đặc tính điện của một môi trường cụ thể, cũng như những thay đổi về nồng độ điện tích và sự phân bố dòng điện nguồn, cũng có tác động đáng kể.
Do tính phức tạp chung của việc phát biểu bài toán nên không thể trình bày định luật lực dưới dạng một công thức duy nhất. Cấu trúc, được gọi là trường điện từ và được coi, nếu cần thiết, như một đối tượng toán học, được xác định bởi sự phân bố điện tích và dòng điện. Ngược lại, nó được tạo ra bởi một nguồn nhất định có tính đến các điều kiện biên. Các điều kiện được xác định bởi hình dạng của vùng tương tác và các đặc tính của vật liệu. Nếu chúng ta đang nói về không gian không giới hạn, những trường hợp này sẽ được bổ sung. Điều kiện bức xạ đóng vai trò như một điều kiện bổ sung đặc biệt trong những trường hợp như vậy. Nhờ đó, tính đúng đắn của hành vi trường ở vô cực được đảm bảo.
Niên đại học tập
Lomonosov trong một số điều khoản của ông đã dự đoán trước các định đề riêng lẻ của lý thuyết trường điện từ: chuyển động “quay” (quay) của các hạt, lý thuyết “dao động” (sóng) của ánh sáng, tính tương đồng của nó với bản chất của điện, v.v. dòng chảy được phát hiện vào năm 1800 bởi Herschel (nhà khoa học người Anh), và năm sau đó, 1801, Ritter đã mô tả tia cực tím. Bức xạ có phạm vi ngắn hơn tia cực tím được Roentgen phát hiện vào năm 1895, vào ngày 8 tháng 11. Sau đó nó nhận được tên X-quang.
Ảnh hưởng của sóng điện từ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Tuy nhiên, người đầu tiên khám phá khả năng của dòng chảy và phạm vi ứng dụng của chúng là Narkevich-Iodko (nhà khoa học người Belarus). Ông đã nghiên cứu tính chất của dòng chảy liên quan đến y học thực tế. Bức xạ gamma được Paul Willard phát hiện vào năm 1900. Trong cùng thời gian đó, Planck tiến hành nghiên cứu lý thuyết về các tính chất của vật đen. Trong quá trình nghiên cứu, ông đã phát hiện ra bản chất lượng tử của quá trình này. Công trình của ông đánh dấu sự khởi đầu của sự phát triển, sau đó một số tác phẩm của Planck và Einstein đã được xuất bản. Nghiên cứu của họ đã dẫn đến sự hình thành một khái niệm như photon. Điều này lại đặt nền móng cho việc hình thành lý thuyết lượng tử về dòng điện từ. Sự phát triển của nó tiếp tục trong công trình của các nhân vật khoa học hàng đầu của thế kỷ XX.
Nghiên cứu và nghiên cứu sâu hơn về lý thuyết lượng tử của bức xạ điện từ và sự tương tác của nó với vật chất cuối cùng đã dẫn đến sự hình thành điện động lực học lượng tử ở dạng mà nó tồn tại ngày nay. Trong số các nhà khoa học xuất sắc nghiên cứu vấn đề này, ngoài Einstein và Planck, phải kể đến Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman.
Phần kết luận
Tầm quan trọng của vật lý trong thế giới hiện đại là khá lớn. Hầu hết mọi thứ được sử dụng trong đời sống con người ngày nay đều xuất hiện nhờ ứng dụng thực tiễn nghiên cứu của các nhà khoa học vĩ đại. Việc phát hiện ra sóng điện từ và nghiên cứu của chúng, đặc biệt, đã dẫn đến việc tạo ra điện thoại di động, máy phát sóng vô tuyến thông thường và sau đó là điện thoại di động. Việc áp dụng thực tế những kiến thức lý thuyết đó có tầm quan trọng đặc biệt trong lĩnh vực y học, công nghiệp và công nghệ.
Việc sử dụng rộng rãi này là do tính chất định lượng của khoa học. Mọi thí nghiệm vật lý đều dựa trên các phép đo, so sánh tính chất của các hiện tượng đang nghiên cứu với các tiêu chuẩn hiện hành. Vì mục đích này mà một tổ hợp các dụng cụ và đơn vị đo lường đã được phát triển trong ngành. Một số mẫu chung cho tất cả các hệ thống vật liệu hiện có. Ví dụ, định luật bảo toàn năng lượng được coi là định luật vật lý tổng quát.
Khoa học nói chung được gọi là cơ bản trong nhiều trường hợp. Điều này trước hết là do các ngành khác cung cấp các mô tả, do đó, tuân theo các định luật vật lý. Vì vậy, trong hóa học, các nguyên tử, các chất hình thành từ chúng và các sự biến đổi được nghiên cứu. Nhưng tính chất hóa học của cơ thể được xác định bởi đặc tính vật lý của phân tử và nguyên tử. Những tính chất này mô tả các ngành vật lý như điện từ, nhiệt động lực học và các ngành khác.
