Виды электромагнитных излучений

Лекция 6

Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком создателем классической электродинамики, Джеймсом Максвеллом (одним из основоположников статистической физики), в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на асимметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля (т.е. электрического поля, порожденного изменяющимся магнитным полем) и предложил новую трактовку законаэлектромагнитной индукции, открытой выдающимся английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 г.

Явление электромагнитной индукции состоит в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину

 

Φ = B · S · cos α,

 

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью n к плоскости контура (рис. 11.1).

Рис.11.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали и выбранное положительное направление обхода контура связаны правилом правого буравчика

 

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 11.2 и 11.3 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рисунок 11.2. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Рисунок 11.3. Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны являются поперечными – векторы Е и В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы Е, В и v взаимно перпендикулярны

 

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью с, которую можно найти, зная диэлектрическую и магнитную проницаемости этого вещества:

 

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м, μ₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м.

Диэлектри́ческая проница́емость среды – это физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимость электрической индукции внутри этой среды от напряженности приложенного к ней внешнего электрического поля.

Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε является величиной безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде больше или меньше, чем в вакууме. Эта величина для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость в зарубежной литературе обозначается буквой ε, в отечественной преимущественно используется сочетание εε₀, где ε₀ – электрическая постоянная (ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м).

Магнитная проницаемость μ – это физическая величина, характеризующая связь между величиной магнитной индукции В в веществе и напряженностью приложенного к нему внешнего магнитного поля Н.

Также как и диэлектрическая проницаемость, бывает относительная и абсолютная.

Относительная магнитная проницаемость μ _r – величина безразмерная, она показывает, во сколько раз магнитная индукция В в веществе больше (или меньше) напряженности приложенного к нему внешнего магнитного поля Н.

Абсолютная магнитная проницаемость μ равна произведению относительной магнитной проницаемости μ _r на магнитную постоянную μ₀, которая численно равна магнитной проницаемость вакуума (μ₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м).

Длина синусоидальной волны λ связана со скоростью c распространения волны известным соотношением λ = cT = c / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме (где ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитной волны в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

3. Физическая величина

равная энергии магнитного поля в единице объема, называется объемной плотностью магнитной энергии.

Физическая величина

равная энергии электрического поля в единице объема, называется объемной плотностью электрической энергии.

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.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля В и напряженности электрического поля Е в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волны возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 11.4), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δ t через площадку пройдет энергия Δ W _эм, равная

Δ W эм = (w э + w м) сS Δ t.

Плотностью потока энергии электромагнитной волны или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для w _э, w _м и c, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора I, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ₀. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I _ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E ₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

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

где w _эм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

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 Генриха 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) = q (t) l, 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. 11.5).

Рисунок 11.5. Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

 

Рис. 11.6. дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Рисунок 11.6. Излучение элементарного диполя

 

 

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.

 

Виды электромагнитных излучений

Спектр электромагнитных волн необычайно широк: длина волны может измеряться тысячами километров, а может быть меньше пикометра. Тем не менее, весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения.

Рассмотрим эти диапазоны в порядке убывания длины волны. Диапазоны плавно переходят друг в друга и четкой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.

Радиоволны

К диапазону радиоволн относится излучение с длиной волны более 1 мм (λ > 1 мм). Источниками радиоволн являются колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.

● Сверхдлинные волны (λ > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками.

● Длинные волны (1 км < λ < 10 км). Используются в радиосвязи, радиовещании, радионавигации.

● Средние волны (100 м < λ < 1 км). Радиовещание. Радиосвязь на расстоянии не более 1500 км.

● Короткие волны (10 м < λ < 100 м). Радиовещание. Хорошо отражаются от ионосферы; в результате многократных отражений от ионосферы и от поверхности Земли могут распространяться вокруг земного шара. Поэтому на коротких волнах можно принимать передачи радиостанций, расположенных в различных странах мира.

● Метровые волны (1 м < λ < 10 м). Местное радиовещание в УКВ-диапазоне. Например, длина волны радиостанции «Эхо Москвы» составляет 4 м. Используются также в телевидении (федеральные каналы). Например, длина волны, используемой в передачах телеканала «Россия 1» равна примерно 5 м.

● Дециметровые волны (10 см < λ < 1 м). Телевидение (дециметровые каналы). Например, длина волны, используемой телеканалом «Animal Planet» равна приблизительно 42 см.

Это также диапазон, используемый в мобильной связи, так, стандарт GSM 1800 использует радиоволны с частотой примерно 1800 МГц, т.е. с длиной волны около 17 см.

Есть еще одно хорошо известное применение дециметровых волн – это микроволновые печи. Стандартная частота микроволновой печи равна 2450 МГц (это частота, на которой происходит резонансное поглощение электромагнитного излучения молекулами воды). Она соответствует длине волны примерно 12 см.

Наконец, этот диапазон используется в технологиях беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth – длина волны здесь также около 12 см (частота 2400 МГц).

● Сантиметровые волны (1 см < λ < 10 см). Это область радиолокации и спутниковых телеканалов. Например, канал НТВ+ осуществляет телевещание на волнах длиной около 2 см.

● Миллиметровые волны (1 мм < λ < 1 см). Радиолокация, космические линии связи. Здесь мы подходим к длинноволновой границе инфракрасного излучения.

 

Инфракрасное излучение

К диапазону инфракрасных волн относится излучение с длинами волн в диапазоне 780 нм < λ < 1 мм. Такое излучение формируется молекулами и атомами нагретых тел. Инфракрасное излучение еще называют тепловым, потому что когда оно попадает на наше тело, то мы ощущаем тепло. Человеческими органами зрение инфракрасное излучение не воспринимается. Хотя некоторые животные, змеи например, способны видеть в этом диапазоне.

Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) как раз в инфракрасной области спектра.

Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий, жарка шашлыка на костре и многое другое.

При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Поместив гвоздь в пламя горелки, можно увидеть это своими глазами: в какой-то момент гвоздь раскаляется докрасна, начиная излучать в видимом диапазоне.

 

Видимый свет

К диапазону видимого света относится излучение с длинами волн в диапазоне 380 нм < λ < 780 нм. Излучение в этом диапазоне длин волн воспринимается человеческим зрением. Диапазон видимого света принято делить на семь поддиапазонов, отождествляемых с определенными спектральными цветами. Следует, однако, заметить, что такое деление условно и имеет исторические корни.

Одним из первых исследованиями спектра видимого излучения занялся Исаак Ньютон, результаты этих исследований были изложены им в классической монографии «Оптика» (1704). Именно он еще в 1671 году, описывая в печати свои оптические эксперименты, ввел в обиход термин спектр (от латинского слова spectrum – видение, появление). Ньютону же принадлежит идея деления света на семь цветов. Проводя опыты по разложению солнечного света в спектр с помощью призмы, Ньютон убедился, что белый свет представляет собой смесь излучения различных цветов, при этом спектральные цвета плавно переходят друг в друга, пробегая всю гамму всевозможных оттенков - от красного до фиолетового. Однако все это многообразие цветов, по его мнению, можно свести к нескольким первичным цветам. Первоначально в качестве первичных он выделил только пять цветов - красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый. Но поскольку Ньютон искренне считал, что между оттенками цвета, нотами в музыке и днями недели существует связь, то впоследствии он добавил к вышеперечисленным цветам оранжевый и индиго. Поэтому в дальнейшем в качестве первичных (или основных) цветов он уже называл красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, индиго и фиолетовый. Однако человеческий глаз плохо различает оттенки синего цвета и цвет индиго многие путают с голубым или фиолетовым. Поэтому впоследствии в некоторых странах, в том числе в России, индиго был заменен на синий, хотя в западной классификации цветов он присутствует до сих пор. Как бы там ни было, а ньютоновский способ деления спектра на семь цветов прижился и благополучно используется до сих пор. Тем не менее, зная историю его появления, следует понимать, что такое деление весьма условно.

● Красный: 625…780 нм;

● Оранжевый: 590…625 нм;

● Желтый: 565…590 нм;

● Зеленый: 500…565 нм;

● Голубой: 485…500 нм;

● Синий: 440…485 нм;

● Фиолетовый: 380…440 нм.

Способность видеть обеспечивается наличием в структуре человеческого глаза светочувствительных рецепторов - палочек и колбочек, которые обладают неодинаковой чувствительностью: колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки.

 

Рис. 12.1. Кривые спектральной чувствительности колбочек

400 450 500 550 600 650 700

Длина волны, нм

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

 

 

Колбочки, в зависимости от того, к излучению какого спектрального состава они чувствительны, подразделяются на три типа и обозначаются греческими буквами β (бета), γ (гамма) и ρ (ро). Первый тип (β) имеет максимум чувствительности к световым волнам с длиной примерно от 400 до 500 нм (условно «синяя» составляющая спектра), второй (γ) – к световым волнам от 500 до 600 нм (условно «зеленая» составляющая спектра) и третий (ρ) – к световым волнам от 600 до 700 нм (условно «красная» составляющая спектра). Чувствительность их также различна (рис. 12.1). Набольшей чувствительностью обладают «красные» колбочки, наименьшей – «синие».

В природе излучение различных источников света редко бывает монохроматичным, т.е. представленным излучением только одной длины волны. Почти всегда оно имеет довольно сложный спектральный состав. В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре света, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее. От этого и зависит воспринимаемая человеческими органами зрения цветовая окраска освещения или цвет отражающей поверхности.

Если по оси абсцисс отложить длину волны λ излучения источника света, а по оси ординат – энергию лучистого потока Ф, то на графике получатся кривые, характеризующие распределение энергии света в спектрах излучения различных источников (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Примеры распределения энергии света в спектрах излучения различных источников: свет от ясного голубого неба, среднедневной солнечный свет, свет лампы накаливания

400 450 500 550 600 650 700

Длина волны λ, нм

 

То же самое относится и к свету, отраженному от различных поверхностей. Цвет любой поверхности (в том числе – окрашенной) определяется как зависимость коэффициента отражения С этой поверхности от длины волны λ падающего на нее света (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Кривые спектра отражения поверхностей, окрашенных различными красками: изумрудной зеленью, красной киноварью, ультрамарином

400 450 500 550 600 650 700

Длина волны λ, нм

 

 

 

В сумерках или ночью, когда интенсивность попадающего в глаз излучения становится очень низкой, колбочки работать перестают и человек видит только за счет палочек, чувствительность которых намного выше чувствительности колбочек. Но палочки не воспринимают цвета. Поэтому в темное время суток, а также в других условиях, характеризующихся низкой освещенностью, человек перестает различать цвета и мир предстает перед ним в черно-белых (сумеречных) тонах. Однако световая чувствительность человеческого глаза в этих условиях чрезвычайно высока и намного превосходит чувствительность большинства существующих технических систем регистрации изображения.

Для характеристики общей спектральной чувствительности человеческого глаза к потоку светового излучения используются кривые относительной световой эффективности, определяющие общую чувствительность человеческого глаза к свету с учетом как цветового (колбочки), так и светового (палочки) зрения (рис. 12.4). Эти зависимости представляют большой интерес для специалистов, поскольку позволяют объяснить ряд известных феноменов человеческого зрения.

Из приведенных кривых видно, что в дневное время, когда яркость освещения велика, человек лучше всего воспринимает зеленые и зелено-желтые цвета, в то время как его чувствительность к синим цветам заметно ниже.

Рис. 12.4. Нормализованные кривые относительной световой эффективности палочек (пунктирная линия) и колбочек (сплошная линия)

Длина волны λ, нм

400 450 500 550 600 650 700

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

 

 

Ситуация несколько меняется в сумерках, когда чувствительные к яркому световому излучению колбочки начинают терять свою эффективность и соотношение между палочками и колбочками изменяется – максимум спектральной световой эффективности смещается в сторону синих излучений (палочковое зрение).