III. Основы электродинамики. Электромагнитное излучение — воздействие на человека, защита

Мало кто знает, что излучение электромагнитной природы пронизывает всю Вселенную. Электромагнитные волны возникают при его распространении в пространстве. В зависимости от частоты колебания волн происходит условное их разделение на видимый свет, радиочастотный спектр, инфракрасные диапазоны и пр. Практическое существование электромагнитных волн было доказано опытным путем в 1880 году немецким ученым Г. Герцем (кстати, единица измерения частоты названа в его честь).

Из курса физики известно, что представляет собой особый вид материи. Несмотря на то, что зрением можно увидеть лишь небольшую его часть, его влияние на материальный мир огромно. Электромагнитные волны являются последовательным распространением в пространстве взаимодействующих векторов напряженности магнитного и электрического полей. Впрочем, слово «распространение» в данном случае не совсем корректно: речь идет, скорее, о волнообразном возмущении пространства. Причиной, генерирующей электромагнитные волны, является появление в пространстве изменяющегося с течением времени электрического поля. А, как известно, существует прямая связь между электрическими и магнитными полями. Достаточно вспомнить правило, согласно которому вокруг любого проводника с током присутствует магнитное поле. Частица, на которую действуют электромагнитные волны, начинает колебаться, а раз есть движение, значит, существует излучение энергии. Электрическое поле со передается соседней частице, находящейся в покое, в результате вновь генерируется поле электрической природы. А так как поля взаимосвязаны, следом появляется магнитное. Процесс распространяется лавинообразно. При этом реального движения нет, а есть колебания частиц.

О возможности практического использования такого физики задумывались уже давно. В современном мире энергия электромагнитных волн столь широко применяется, что многие этого даже не замечают, принимая это как должное. Яркий пример - радиоволны, без которых была бы невозможна работа телевизоров и мобильных телефонов.

Процесс происходит следующим образом: на металлический проводник особой формы (антенну) постоянно передается модулированный Благодаря свойствам электрического тока вокруг проводника возникает электрическое, а следом и магнитное поле, в результате чего осуществляется излучение электромагнитных волн. Так как модулируется, они несут определенный порядок, закодированную информацию. Чтобы уловить нужные частоты, у адресата устанавливается приемная антенна специальной конструкции. Она позволяет отобрать из общего электромагнитного фона нужные частоты. Попав на металлический приемник, волны частично преобразовываются в электрический ток исходной модуляции. Далее они поступают на усиливающий блок и управляют работой устройства (передвигают диффузор динамика, поворачивают электроды в экранах телевизоров).

Ток, полученный из электромагнитных волн, можно легко увидеть. Для этого достаточно оголенной жилой кабеля, идущего от антенны к приемнику, коснуться общей массы (батареи отопления, В этот момент между массой и жилой проскакивает искра - это и есть проявление генерированного антенной тока. Его значение тем больше, чем ближе и мощнее передатчик. Также существенное влияние оказывает конфигурация антенны.

Еще одно проявление электромагнитных волн, с которым многие ежедневно сталкиваются в быту - это использование микроволновой печи. Вращающиеся линии напряженности поля пересекают предмет и передают часть своей энергии, нагревая его.

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

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

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

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

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

Электромагнитные волны действительно существуют

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Волна (волновой процесс) - процесс распространения колебаний в сплошной среде . При распростаранении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества

Электромагнитные волны возникают всегда, когда в пространстве есть изменяющееся электрическое поле. Такое изменяющееся электрическое поле вызвано, чаще всего, перемещением заряженных частиц, и как частный случай такого перемещения, переменным электрическим током.

Электромагнитное поле представляет собой взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (В) полей. Распространение единого электромагнитного поля в пространстве осуществляется посредством электромагнитных волн.

Электромагнитная волна - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве и переносящие энергию

Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла (которые в данном курсе не рассматриваются). Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды и токи, то изменение их со временем приводит к излучению электромагнитных волн. Описание их распространения аналогично описанию механических волн.

Если среда однородна и волна распространяется вдоль оси Х со скоростью v, то электрическая (Е) и магнитная (В) составляющие поля в каждой точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой круговой частотой (ω) и в одинаковой фазе (уравнение плоской волны):

где х - координата точки, а t - время.

Векторы В и Е взаимно перпендикулярны, и каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны (ось Х). Поэтому электромагнитные волны являются поперечными

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы , и взаимно перпендикулярны

1) Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия , в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия .

В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w э = w м.

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW эм, равная

Подставляя сюда выражения для w э, w м и υ, можно получить:

где E 0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс . Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

Отсюда следует:

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами . Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t ) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца . В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

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

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

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

Характеристики электромагнитного излучения

Любую электромагнитную волну описывают с помощью трех характеристик.

1. Частота.

2. Поляризация.

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды электромагнитных волн

Все электромагнитное излучение делят по частоте.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сфера применения

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

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

Спутниковое вещание, телекоммуникации – являются дальнейшим развитием примитивной радиосвязи.

Именно эти технологии сформировали информационный облик современного общества.

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

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

Рентгеновские снимки помогают определить повреждения внутренних тканей человека.

С помощью лазеров проводят ряд операций, требующих ювелирной точности.

Важность электромагнитного излучения в практической жизни человека сложно переоценить.

Советское видео о электромагнитном поле:

Возможное негативное влияние на человека

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

Усталость;

Головную боль;

Тошноту.

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

Интересное виде о влиянии ЭМ волн на человека:

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