في كل مرة يغير فيها تيار كهربائي تردده أو اتجاهه، فإنه يولد موجات كهرومغناطيسية - تذبذبات في مجالات القوة الكهربائية والمغناطيسية في الفضاء. أحد الأمثلة على ذلك هو التيار المتغير في هوائي جهاز إرسال الراديو، مما يخلق حلقات من موجات الراديو تنتشر في الفضاء.

تعتمد طاقة الموجة الكهرومغناطيسية على طولها - المسافة بين "قمتين" متجاورتين. كلما كان طول الموجة أقصر، زادت طاقتها. وتنقسم الموجات الكهرومغناطيسية، حسب الترتيب التنازلي لطولها، إلى موجات الراديو، والأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة السينية، وأشعة جاما. لا يصل الطول الموجي لإشعاع جاما حتى إلى جزء من مائة مليار من المتر، في حين يمكن أن يصل طول موجات الراديو إلى الكيلومترات.

موجات كهرومغناطيسيةتنتشر في الفضاء بسرعة الضوء، وتقع خطوط قوة مجالاتها الكهربائية والمغناطيسية بزوايا قائمة على بعضها البعض وعلى اتجاه حركة الموجة.

موجات كهرومغناطيسيةتشع في دوائر تتسع تدريجياً من هوائي الإرسال لمحطة راديو ذات اتجاهين، على غرار الطريقة التي تفعل بها الموجات عندما تسقط حصاة في بركة. يقوم التيار الكهربائي المتناوب في الهوائي بإنشاء موجات تتكون من مجالات كهربائية ومغناطيسية.

دائرة الموجات الكهرومغناطيسية

تنتقل الموجة الكهرومغناطيسية في خط مستقيم، وتكون مجالاتها الكهربائية والمغناطيسية متعامدة مع تدفق الطاقة.

انكسار الموجات الكهرومغناطيسية

تمامًا مثل الضوء، تنكسر جميع الموجات الكهرومغناطيسية عندما تدخل المادة بأي زاوية غير الزوايا القائمة.

انعكاس الموجات الكهرومغناطيسية

إذا سقطت الموجات الكهرومغناطيسية على سطح معدني مكافئ، فإنها تتمركز في نقطة ما.

ظهور الموجات الكهرومغناطيسية

ينشأ النمط الزائف للموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من هوائي الإرسال من تذبذب واحد للتيار الكهربائي. عندما يتدفق التيار إلى أعلى الهوائي، يتم توجيه المجال الكهربائي (الخطوط الحمراء) من الأعلى إلى الأسفل، ويتم توجيه المجال المغناطيسي (الخطوط الخضراء) عكس اتجاه عقارب الساعة. إذا تغير التيار في اتجاهه، يحدث نفس الشيء للمجالين الكهربائي والمغناطيسي.

فلاديمير الإقليمي
صناعي - تجاري
مدرسة ثانوية

خلاصة

موجات كهرومغناطيسية

مكتمل:
الطالب 11 فئة "ب".
لفوف ميخائيل
التحقق:

فلاديمير 2001

يخطط

1. مقدمة ………………………………………………………………………………………………………………………………… 3

2. مفهوم الموجة وخصائصها ........................... 4

3. الموجات الكهرومغناطيسية ………………………………………………………………… 5

4. الدليل التجريبي على الوجود
الموجات الكهرومغناطيسية .......................... 6

5. كثافة تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي ............... 7

6. اختراع الراديو ........................................... 9

7. خصائص الموجات الكهرومغناطيسية………………………………………………………………………………………… 10

8. التعديل والكشف ………………………………………………………………………………… 10

9. أنواع الموجات الراديوية وتوزيعها ........................... 13

مقدمة

العمليات الموجية منتشرة على نطاق واسع في الطبيعة. هناك نوعان من الموجات في الطبيعة: ميكانيكية وكهرومغناطيسية. تنتشر الموجات الميكانيكية في المادة: غازية أو سائلة أو صلبة. لا تحتاج الموجات الكهرومغناطيسية إلى أي مادة للانتشار، بما في ذلك موجات الراديو والضوء. يمكن أن يوجد المجال الكهرومغناطيسي في الفراغ، أي في الفضاء الذي لا يحتوي على ذرات. على الرغم من الاختلاف الكبير بين الموجات الكهرومغناطيسية والموجات الميكانيكية، إلا أن الموجات الكهرومغناطيسية تتصرف بشكل مشابه للموجات الميكانيكية أثناء انتشارها. ولكن مثل التذبذبات، يتم وصف جميع أنواع الموجات كميًا بنفس القوانين أو قوانين متطابقة تقريبًا. سأحاول في عملي النظر في أسباب ظهور الموجات الكهرومغناطيسية وخصائصها وتطبيقاتها في حياتنا.

مفهوم الموجة وخصائصها

موجة تسمى الاهتزازات التي تنتشر في الفضاء مع مرور الوقت.

أهم ما يميز الموجة هو سرعتها. لا تنتشر الموجات من أي نوع عبر الفضاء على الفور. سرعتهم محدودة.

عندما تنتشر موجة ميكانيكية، تنتقل الحركة من جزء من الجسم إلى جزء آخر. يرتبط بنقل الحركة نقل الطاقة. الخاصية الأساسية لجميع الموجات، بغض النظر عن طبيعتها، هي أنها تنقل الطاقة دون نقل المادة. تأتي الطاقة من مصدر يثير اهتزازات في بداية الحبل أو الخيط وما إلى ذلك، وتنتشر مع الموجة. تتدفق الطاقة بشكل مستمر من خلال أي مقطع عرضي. تتكون هذه الطاقة من الطاقة الحركية لحركة أجزاء الحبل والطاقة الكامنة لتشوهه المرن. يرتبط الانخفاض التدريجي في سعة التذبذبات مع انتشار الموجة بتحويل جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة داخلية.

إذا جعلت نهاية سلك مطاطي ممتد يهتز بشكل متناغم بتردد معين v، فستبدأ هذه الاهتزازات في الانتشار على طول الحبل. تحدث اهتزازات أي قسم من السلك بنفس التردد والسعة مثل اهتزازات نهاية السلك. لكن هذه التذبذبات فقط هي التي يتم إزاحتها في الطور بالنسبة لبعضها البعض. تسمى هذه الموجات أحادية اللون.

إذا كان إزاحة الطور بين اهتزازات نقطتين من الحبل يساوي 2n، فإن هذه النقاط تتأرجح بنفس الطريقة تمامًا: في النهاية، cos(2lvt+2l) = =сos2пفاتو. تسمى هذه التذبذبات في مرحلة(تحدث في نفس المراحل).

المسافة بين النقاط الأقرب إلى بعضها البعض والتي تتأرجح في نفس المراحل تسمى الطول الموجي.

العلاقة بين الطول الموجي α والتردد v وسرعة الموجة c. خلال فترة واحدة من التذبذب، تنتشر الموجة على مسافة lect. ولذلك، يتم تحديد سرعته من خلال الصيغة

منذ الفترة توالتردد v مرتبطان بالعلاقة T = 1 / v

سرعة الموجة تساوي حاصل ضرب الطول الموجي وتردد التذبذب.

موجات كهرومغناطيسية

الآن دعنا ننتقل إلى النظر مباشرة في الموجات الكهرومغناطيسية.

يمكن للقوانين الأساسية للطبيعة أن تكشف أكثر بكثير مما تحتويه الحقائق التي تشتق منها. أحد هذه القوانين هو قوانين الكهرومغناطيسية التي اكتشفها ماكسويل.

من بين العواقب التي لا تعد ولا تحصى والمثيرة للاهتمام والمهمة للغاية والتي تنشأ عن قوانين ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي، يستحق المرء اهتمامًا خاصًا. وهذا هو الاستنتاج الذي مفاده أن التفاعل الكهرومغناطيسي ينتشر بسرعة محدودة.

ووفقا لنظرية الحركة قصيرة المدى، فإن تحريك الشحنة يغير المجال الكهربائي القريب منها. يولد هذا المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا في المناطق المجاورة من الفضاء. ويولد المجال المغناطيسي المتناوب بدوره مجالًا كهربائيًا متناوبًا، وما إلى ذلك.

وبالتالي فإن حركة الشحنة تؤدي إلى "انفجار" المجال الكهرومغناطيسي، الذي ينتشر ويغطي مساحات كبيرة بشكل متزايد من الفضاء المحيط.

أثبت ماكسويل رياضيًا أن سرعة انتشار هذه العملية تساوي سرعة الضوء في الفراغ.

تخيل أن الشحنة الكهربائية لم تنتقل من نقطة إلى أخرى فحسب، بل تتأرجح بسرعة على طول خط مستقيم معين. ثم سيبدأ المجال الكهربائي في المنطقة المجاورة مباشرة للشحنة في التغير بشكل دوري. من الواضح أن فترة هذه التغييرات ستكون مساوية لفترة تذبذبات الشحنة. سيولد المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا يتغير بشكل دوري، وهذا الأخير بدوره سيؤدي إلى ظهور مجال كهربائي متناوب على مسافة أكبر من الشحنة، وما إلى ذلك.

في كل نقطة في الفضاء، تتغير المجالات الكهربائية والمغناطيسية بشكل دوري مع الزمن. كلما كانت النقطة أبعد عن الشحنة، كلما وصلت تذبذبات المجال إليها في وقت لاحق. وبالتالي، على مسافات مختلفة من الشحنة، تحدث التذبذبات بمراحل مختلفة.

تكون اتجاهات المتجهات المتذبذبة لشدة المجال الكهربائي وتحريض المجال المغناطيسي متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة.

الموجة الكهرومغناطيسية مستعرضة.

تنبعث الموجات الكهرومغناطيسية من الشحنات المتذبذبة. ومن المهم أن تتغير سرعة حركة هذه الشحنات مع الزمن، أي أنها تتحرك بتسارع. إن وجود التسارع هو الشرط الأساسي لانبعاث الموجات الكهرومغناطيسية. ينبعث المجال الكهرومغناطيسي بطريقة ملحوظة ليس فقط عندما تتأرجح الشحنة، ولكن أيضًا أثناء أي تغير سريع في سرعتها. كلما زاد التسارع الذي تتحرك به الشحنة، زادت شدة الموجة المنبعثة.

كان ماكسويل مقتنعًا بشدة بحقيقة الموجات الكهرومغناطيسية. لكنه لم يعش ليرى اكتشافهم التجريبي. وبعد 10 سنوات فقط من وفاته، تمكن هيرتز من الحصول على الموجات الكهرومغناطيسية تجريبيًا.

إثبات تجريبي للوجود

موجات كهرومغناطيسية

الموجات الكهرومغناطيسية غير مرئية، على عكس الموجات الميكانيكية، ولكن كيف تم اكتشافها؟ للإجابة على هذا السؤال، خذ بعين الاعتبار تجارب هيرتز.

تتشكل الموجة الكهرومغناطيسية نتيجة للاتصال المتبادل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتناوبة. يؤدي تغيير حقل واحد إلى ظهور حقل آخر. وكما هو معروف، كلما زادت سرعة تغير الحث المغناطيسي مع مرور الوقت، زادت شدة المجال الكهربائي الناتج. وفي المقابل، كلما زادت سرعة تغير شدة المجال الكهربائي، زاد الحث المغناطيسي.

لتوليد موجات كهرومغناطيسية مكثفة، من الضروري إنشاء تذبذبات كهرومغناطيسية ذات تردد عالٍ بما فيه الكفاية.

يمكن الحصول على تذبذبات عالية التردد باستخدام دائرة متأرجحة. تردد التذبذب هو 1/ √ LC. من هنا يمكن ملاحظة أنه كلما كانت محاثة وسعة الدائرة أصغر، كلما زادت.

لإنتاج الموجات الكهرومغناطيسية، استخدم ج. هيرتز جهازًا بسيطًا، يُسمى الآن هزاز هيرتز.

هذا الجهاز عبارة عن دائرة تذبذبية مفتوحة.

يمكنك الانتقال إلى دائرة مفتوحة من دائرة مغلقة إذا قمت بتحريك لوحات المكثف تدريجيًا، مما يقلل من مساحتها وفي نفس الوقت يقلل عدد اللفات في الملف. في النهاية سيكون مجرد سلك مستقيم. هذه دائرة تذبذبية مفتوحة. السعة والتحريض لهزاز هيرتز صغيرة. ولذلك، فإن تردد التذبذب مرتفع جدا.

في الدائرة المفتوحة، لا تتركز الشحنات في الأطراف، بل يتم توزيعها في جميع أنحاء الموصل. يتم توجيه التيار في لحظة معينة من الزمن في جميع أقسام الموصل في نفس الاتجاه، ولكن قوة التيار ليست هي نفسها في أقسام مختلفة من الموصل. في الأطراف يكون صفرًا، وفي المنتصف يصل إلى الحد الأقصى (في دوائر التيار المتردد العادية، تكون قوة التيار في جميع الأقسام في لحظة معينة من الزمن هي نفسها.) يغطي المجال الكهرومغناطيسي أيضًا المساحة بأكملها بالقرب من الدائرة .

استقبل هيرتز الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق إثارة سلسلة من نبضات التيار المتردد بسرعة في هزاز باستخدام مصدر عالي الجهد. تذبذبات الشحنات الكهربائية في الهزاز تخلق موجة كهرومغناطيسية. فقط التذبذبات في الهزاز لا يتم إجراؤها بواسطة جسيم مشحون واحد، ولكن بواسطة عدد كبير من الإلكترونات التي تتحرك بشكل متناغم. في الموجة الكهرومغناطيسية، يكون المتجهان E وB متعامدين مع بعضهما البعض. يقع المتجه E في المستوى الذي يمر عبر الهزاز، ويكون المتجه B عموديًا على هذا المستوى. تنبعث الموجات بأقصى شدة في الاتجاه العمودي على محور الهزاز. لا يحدث أي إشعاع على طول المحور.

تم تسجيل الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة هيرتز باستخدام هزاز استقبال (رنان)، وهو نفس جهاز الهزاز المشع. تحت تأثير المجال الكهربائي المتناوب للموجة الكهرومغناطيسية، يتم إثارة التذبذبات الحالية في الهزاز المستقبل. إذا كان التردد الطبيعي للهزاز المستقبل يتزامن مع تردد الموجة الكهرومغناطيسية، يتم ملاحظة الرنين. تحدث التذبذبات في الرنان بسعة كبيرة عندما يكون موازيًا للهزاز المشع. اكتشف هيرتز هذه الاهتزازات من خلال ملاحظة وجود شرارات في فجوة صغيرة جدًا بين موصلات الهزاز المستقبل. لم يستقبل هيرتز الموجات الكهرومغناطيسية فحسب، بل اكتشفها أيضًا أنها تتصرف مثل أنواع أخرى من الموجات.

من خلال حساب التردد الطبيعي للذبذبات الكهرومغناطيسية للهزاز. كان هيرتز قادرًا على تحديد سرعة الموجة الكهرومغناطيسية باستخدام الصيغة c = lect v . وتبين أنها تساوي تقريبًا سرعة الضوء: ج = 300000 كم/ثانية. لقد أكدت تجارب هيرتز ببراعة تنبؤات ماكسويل.

كثافة تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي

الآن دعنا ننتقل إلى النظر في خصائص وخصائص الموجات الكهرومغناطيسية. إحدى خصائص الموجات الكهرومغناطيسية هي كثافة الإشعاع الكهرومغناطيسي.

فكر في سطح المنطقة S الذي تنقل من خلاله الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة.

كثافة تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي I هي نسبة الطاقة الكهرومغناطيسية W التي تمر خلال الزمن t عبر سطح مساحة S عموديًا على الأشعة إلى حاصل ضرب المنطقة S والوقت t.

يتم التعبير عن كثافة التدفق الإشعاعي، في SI، بالواط لكل متر مربع (W / m2). تسمى هذه الكمية أحيانًا بكثافة الموجة.

وبعد سلسلة من التحولات نحصل على أن I = w c.

أي أن كثافة التدفق الإشعاعي تساوي حاصل ضرب كثافة الطاقة الكهرومغناطيسية وسرعة انتشارها.

لقد واجهنا أكثر من مرة إضفاء المثالية على المصادر الحقيقية للقبول في الفيزياء: نقطة مادية، وغاز مثالي، وما إلى ذلك. وهنا سنلتقي بواحدة أخرى.

ويعتبر مصدر الإشعاع نقطيا إذا كانت أبعاده أصغر بكثير من المسافة التي يتم تقييم تأثيره فيها. بالإضافة إلى ذلك، من المفترض أن مثل هذا المصدر يرسل موجات كهرومغناطيسية في جميع الاتجاهات بنفس الشدة.

دعونا ننظر في اعتماد كثافة تدفق الإشعاع على المسافة إلى المصدر.

يتم توزيع الطاقة التي تحملها الموجات الكهرومغناطيسية على سطح أكبر وأكبر بمرور الوقت. ولذلك، فإن الطاقة المنقولة عبر وحدة مساحة لكل وحدة زمنية، أي كثافة تدفق الإشعاع، تتناقص مع المسافة من المصدر. يمكنك معرفة مدى اعتماد كثافة التدفق الإشعاعي على المسافة إلى المصدر عن طريق وضع مصدر نقطي في مركز كرة نصف قطرها ر. مساحة سطح الكرة S= 4 n R^2. إذا افترضنا أن المصدر يبعث طاقة W في جميع الاتجاهات خلال الزمن t

تتناقص كثافة التدفق الإشعاعي من مصدر نقطي بشكل عكسي مع مربع المسافة إلى المصدر.

الآن فكر في اعتماد كثافة تدفق الإشعاع على التردد. كما هو معروف، يحدث انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية أثناء الحركة المتسارعة للجزيئات المشحونة. تتناسب شدة المجال الكهربائي والحث المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية مع التسارع أالجسيمات المشعة. التسارع أثناء الاهتزازات التوافقية يتناسب مع مربع التردد. ولذلك فإن شدة المجال الكهربائي والحث المغناطيسي يتناسبان مع مربع التردد

تتناسب كثافة طاقة المجال الكهربائي مع مربع شدة المجال. تتناسب طاقة المجال المغناطيسي طرديا مع مربع الحث المغناطيسي. كثافة الطاقة الإجمالية للمجال الكهرومغناطيسي تساوي مجموع كثافات الطاقة للمجالين الكهربائي والمغناطيسي. ولذلك فإن كثافة التدفق الإشعاعي تتناسب مع: (E^2+B^2). من هنا نستنتج أنني متناسب مع w^4.

تتناسب كثافة التدفق الإشعاعي مع القوة الرابعة للتردد.

اختراع الراديو

أثارت تجارب هيرتز اهتمام الفيزيائيين حول العالم. بدأ العلماء في البحث عن طرق لتحسين باعث ومستقبل الموجات الكهرومغناطيسية. في روسيا، كان ألكسندر ستيبانوفيتش بوبوف، مدرس دورات الضباط في كرونستادت، من أوائل الذين درسوا الموجات الكهرومغناطيسية.

استخدم A. S. Popov المتماسك كجزء "يستشعر" الموجات الكهرومغناطيسية بشكل مباشر. هذا الجهاز عبارة عن أنبوب زجاجي به قطبين كهربائيين. يحتوي الأنبوب على برادة معدنية صغيرة. يعتمد تشغيل الجهاز على تأثير التفريغات الكهربائية على المساحيق المعدنية. في ظل الظروف العادية، يتمتع المتماسك بمقاومة عالية لأن نشارة الخشب لديها اتصال ضعيف مع بعضها البعض. تخلق الموجة الكهرومغناطيسية القادمة تيارًا متناوبًا عالي التردد في المتماسك. تقفز أصغر الشرارات بين نشارة الخشب، مما يؤدي إلى تلبيد نشارة الخشب. نتيجة لذلك، تنخفض مقاومة المتماسك بشكل حاد (في تجارب A. S. Popov من 100000 إلى 1000-500 أوم، أي 100-200 مرة). يمكنك إعادة الجهاز إلى المقاومة العالية مرة أخرى عن طريق هزه. لضمان الاستقبال التلقائي اللازم للاتصالات اللاسلكية، استخدم A. S. Popov جهاز جرس لهز المتماسك بعد استقبال الإشارة. تم إغلاق دائرة الجرس الكهربائي باستخدام مرحل حساس لحظة وصول الموجة الكهرومغناطيسية. مع نهاية استقبال الموجة، توقف تشغيل الجرس على الفور، لأن مطرقة الجرس لم تضرب كأس الجرس فحسب، بل أيضا المتماسك. ومع الهز الأخير للمتماسك، كان الجهاز جاهزًا لاستقبال موجة جديدة.

لزيادة حساسية الجهاز، قام A. S. Popov بتأريض إحدى أطراف المتماسك وتوصيل الأخرى بقطعة سلك مرتفعة للغاية، مما أدى إلى إنشاء أول هوائي استقبال للاتصالات اللاسلكية. يؤدي التأريض إلى تحويل السطح الموصل للأرض إلى جزء من دائرة متذبذبة مفتوحة، مما يزيد من نطاق الاستقبال.

على الرغم من أن أجهزة الاستقبال الراديوية الحديثة لا تشبه سوى القليل جدًا من أجهزة الاستقبال الخاصة بـ A. S. Popov، إلا أن المبادئ الأساسية لتشغيلها هي نفسها الموجودة في جهازه. يحتوي جهاز الاستقبال الحديث أيضًا على هوائي تنتج فيه الموجة الواردة تذبذبات كهرومغناطيسية ضعيفة جدًا. كما هو الحال في جهاز الاستقبال A. S. Popov، فإن طاقة هذه التذبذبات لا تستخدم مباشرة للاستقبال. تتحكم الإشارات الضعيفة فقط في مصادر الطاقة التي تزود الدوائر اللاحقة بالطاقة. في الوقت الحاضر يتم تنفيذ هذا التحكم باستخدام أجهزة أشباه الموصلات.

في 7 مايو 1895، في اجتماع للجمعية الفيزيائية والكيميائية الروسية في سانت بطرسبرغ، أظهر أ.س.بوبوف تشغيل جهازه، الذي كان، في الواقع، أول جهاز استقبال راديو في العالم. أصبح السابع من مايو عيد ميلاد الراديو.

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية

تتيح أجهزة الهندسة الراديوية الحديثة إجراء تجارب مرئية للغاية لمراقبة خصائص الموجات الكهرومغناطيسية. في هذه الحالة، من الأفضل استخدام موجات السنتيمتر. تنبعث هذه الموجات بواسطة مولد خاص عالي التردد (الميكروويف). يتم تعديل التذبذبات الكهربائية للمولد بواسطة تردد الصوت. يتم إرسال الإشارة المستقبلة، بعد الكشف، إلى مكبر الصوت.

لن أصف إجراء جميع التجارب، ولكن سأركز على التجارب الرئيسية.

1. المواد العازلة قادرة على امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية.

2. بعض المواد (مثل المعدن) قادرة على امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية.

3. الموجات الكهرومغناطيسية قادرة على تغيير اتجاهها عند الحدود العازلة.

4. الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات عرضية. وهذا يعني أن المتجهات E و B للمجال الكهرومغناطيسي للموجة متعامدة مع اتجاه انتشارها.

التعديل والكشف

لقد مر بعض الوقت منذ اختراع بوبوف للراديو، عندما أراد الناس نقل الكلام والموسيقى بدلاً من إشارات التلغراف التي تتكون من إشارات قصيرة وطويلة. هكذا تم اختراع الاتصالات الهاتفية اللاسلكية. دعونا نفكر في المبادئ الأساسية لكيفية عمل هذا الاتصال.

في الاتصالات الهاتفية الراديوية، يتم تحويل تقلبات ضغط الهواء في الموجة الصوتية بواسطة الميكروفون إلى اهتزازات كهربائية بنفس الشكل. يبدو أنه إذا تم تضخيم هذه الاهتزازات وتغذيتها بالهوائي، فسيكون من الممكن نقل الكلام والموسيقى عبر مسافة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية. ومع ذلك، في الواقع، فإن طريقة النقل هذه غير ممكنة. والحقيقة هي أن اهتزازات الصوت عند تردد جديد هي اهتزازات بطيئة نسبيًا، والموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات المنخفضة (الصوتية) لا تنبعث تقريبًا على الإطلاق. للتغلب على هذه العقبة، تم تطوير التعديل وسيتم مناقشة الكشف بالتفصيل.

تعديل. لإجراء اتصالات هاتفية لاسلكية، من الضروري استخدام التذبذبات عالية التردد المنبعثة بشكل مكثف من الهوائي. يتم إنتاج التذبذبات التوافقية غير المخمدة ذات التردد العالي بواسطة مولد، على سبيل المثال مولد الترانزستور.

ولنقل الصوت، يتم تغيير هذه الاهتزازات عالية التردد، أو كما يقولون، تعديلها، باستخدام اهتزازات كهربائية منخفضة التردد (الصوتية). من الممكن، على سبيل المثال، تغيير سعة التذبذبات عالية التردد مع تردد الصوت. وتسمى هذه الطريقة تعديل السعة.

رسم بياني للتذبذبات ذات التردد العالي، والذي يسمى تردد الموجة الحاملة؛

ب) رسم بياني لتذبذبات التردد الصوتي، أي تعديل التذبذبات؛

ج) الرسم البياني للتذبذبات التضمين السعة.

بدون تعديل، يمكننا في أحسن الأحوال التحكم فيما إذا كانت المحطة تعمل أم صامتة. بدون تعديل لا يوجد إرسال تلغراف أو هاتف أو تلفزيون.

يتم تحقيق تعديل سعة التذبذبات عالية التردد من خلال إجراء خاص على مولد التذبذبات المستمرة. على وجه الخصوص، يمكن إجراء التعديل عن طريق تغيير الجهد الناتج عن المصدر الموجود على الدائرة المتذبذبة. كلما ارتفع الجهد في دائرة المولد، زاد تدفق الطاقة من المصدر إلى الدائرة في كل فترة. وهذا يؤدي إلى زيادة في سعة التذبذبات في الدائرة. ومع انخفاض الجهد، تقل الطاقة الداخلة إلى الدائرة أيضًا. ولذلك، فإن سعة التذبذبات في الدائرة تنخفض.

في أبسط جهاز لتنفيذ تعديل السعة، يتم توصيل مصدر إضافي للجهد المتناوب منخفض التردد على التوالي مع مصدر جهد ثابت. يمكن أن يكون هذا المصدر، على سبيل المثال، الملف الثانوي للمحول إذا كان تيار التردد الصوتي يتدفق خلال الملف الأولي. ونتيجة لذلك، فإن سعة التذبذبات في الدائرة التذبذبية للمولد سوف تتغير مع مرور الوقت مع التغيرات في الجهد على الترانزستور. وهذا يعني أن التذبذبات عالية التردد يتم تعديلها في السعة بواسطة إشارة منخفضة التردد.

بالإضافة إلى تعديل السعة، يتم استخدام تعديل التردد في بعض الحالات - تغيير تردد التذبذب وفقًا لإشارة التحكم. ميزتها هي مقاومتها الأكبر للتدخل.

كشف. في جهاز الاستقبال، يتم فصل التذبذبات ذات التردد المنخفض عن التذبذبات عالية التردد المعدلة. تسمى عملية تحويل الإشارة هذه بالكشف.

تتوافق الإشارة التي تم الحصول عليها نتيجة الاكتشاف مع الإشارة الصوتية التي تعمل على ميكروفون جهاز الإرسال. بمجرد تضخيمها، يمكن تحويل الاهتزازات ذات التردد المنخفض إلى صوت.

إن الإشارة المعدلة عالية التردد التي يتلقاها جهاز الاستقبال، حتى بعد التضخيم، غير قادرة على إحداث اهتزازات مباشرة في غشاء الهاتف أو مكبر الصوت بتردد صوتي. يمكن أن يسبب فقط اهتزازات عالية التردد لا تدركها آذاننا. لذلك، في جهاز الاستقبال، من الضروري أولاً عزل إشارة التردد الصوتي عن التذبذبات المعدلة عالية التردد.

يتم الكشف بواسطة جهاز يحتوي على عنصر ذو موصلية أحادية الاتجاه - كاشف. يمكن أن يكون هذا العنصر عبارة عن أنبوب إلكتروني (صمام ثنائي مفرغ) أو صمام ثنائي لأشباه الموصلات.

دعونا نفكر في تشغيل كاشف أشباه الموصلات. دع هذا الجهاز متصلاً على التوالي بمصدر للتذبذبات المعدلة والحمل. سوف يتدفق التيار في الدائرة في الغالب في اتجاه واحد.

سوف يتدفق تيار نابض في الدائرة. يتم تنعيم هذا التيار المموج باستخدام مرشح. أبسط مرشح هو مكثف متصل بالحمل.

يعمل الفلتر على هذا النحو. في تلك اللحظات التي يمر فيها التيار في الصمام الثنائي، يمر جزء منه عبر الحمل، ويتفرع الجزء الآخر إلى المكثف، ويقوم بشحنه. تعمل المروحة الحالية على تقليل تيار التموج الذي يمر عبر الحمل. ولكن في الفترة الفاصلة بين النبضات، عندما يتم إغلاق الصمام الثنائي، يتم تفريغ المكثف جزئيًا من خلال الحمل.

ولذلك، في الفترة الفاصلة بين النبضات، يتدفق التيار عبر الحمل في نفس الاتجاه. كل نبضة جديدة تعيد شحن المكثف. ونتيجة لذلك، يتدفق تيار تردد صوتي عبر الحمل، ويعيد شكل موجة منه تقريبًا شكل الإشارة ذات التردد المنخفض في محطة الإرسال.

أنواع موجات الراديو وتوزيعها

لقد قمنا بالفعل بدراسة الخصائص الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية، وتطبيقاتها في الراديو، وتكوين موجات الراديو. الآن دعونا نتعرف على أنواع موجات الراديو وانتشارها.

يؤثر الشكل والخصائص الفيزيائية لسطح الأرض، وكذلك حالة الغلاف الجوي، بشكل كبير على انتشار موجات الراديو.

طبقات الغاز المتأين في الأجزاء العليا من الغلاف الجوي على ارتفاع 100-300 كيلومتر فوق سطح الأرض لها تأثير كبير بشكل خاص على انتشار موجات الراديو. وتسمى هذه الطبقات الأيونوسفير. يحدث تأين الهواء في الطبقات العليا من الغلاف الجوي بسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي الصادر عن الشمس وتدفق الجزيئات المشحونة المنبعثة منه.

من خلال توصيل التيار الكهربائي، يعكس الأيونوسفير موجات الراديو بطول موجي أكبر من 10 أمتار، مثل لوحة معدنية عادية. لكن قدرة الغلاف الأيوني على عكس وامتصاص موجات الراديو تختلف بشكل كبير حسب الوقت من اليوم والفصول.

يعد الاتصال الراديوي المستقر بين النقاط البعيدة على سطح الأرض خارج خط البصر ممكنًا بسبب انعكاس الموجات من الغلاف الأيوني وقدرة موجات الراديو على الانحناء حول سطح الأرض المحدب. ويكون هذا الانحناء أكثر وضوحًا كلما زاد طول الموجة. لذلك، فإن الاتصال اللاسلكي عبر مسافات طويلة بسبب انحناء الموجات حول الأرض ممكن فقط مع أطوال موجية تتجاوز بشكل ملحوظ 100 متر ( موجات متوسطة وطويلة)

موجات قصيرة(مدى الطول الموجي من 10 إلى 100 متر) ينتشر عبر مسافات طويلة فقط بسبب الانعكاسات المتعددة من طبقة الأيونوسفير وسطح الأرض. بمساعدة الموجات القصيرة يمكن إجراء الاتصالات اللاسلكية على أي مسافة بين محطات الراديو على الأرض.

موجات الراديو فائقة القصر (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораб­лями.

الآن دعونا نلقي نظرة على تطبيق آخر لموجات الراديو. هذا رادار.

يسمى الكشف والموقع الدقيق للأشياء باستخدام موجات الراديو رادار.تركيب الرادار - رادار(أو الرادار) - يتكون من أجزاء الإرسال والاستقبال. يستخدم الرادار ذبذبات كهربائية عالية التردد. يتم توصيل مولد ميكروويف قوي بهوائي يصدر موجة عالية الاتجاه. يتم الحصول على الاتجاه الحاد للإشعاع بسبب إضافة الموجات. تم تصميم الهوائي بطريقة تجعل الموجات المرسلة من كل من الهزازات، عند إضافتها، تعزز بعضها البعض فقط في اتجاه معين. وفي اتجاهات أخرى، عند إضافة الموجات، يحدث الإلغاء المتبادل الكامل أو الجزئي.

يتم التقاط الموجة المنعكسة بواسطة نفس هوائي الإرسال أو هوائي استقبال آخر عالي الاتجاه أيضًا.

لتحديد المسافة إلى الهدف، يتم استخدام وضع الإشعاع النبضي. يرسل جهاز الإرسال موجات في رشقات نارية قصيرة. مدة كل نبضة هي جزء من المليون من الثانية، والفاصل الزمني بين النبضات أطول بحوالي 1000 مرة. أثناء التوقف المؤقت، يتم استقبال الموجات المنعكسة.

يتم تحديد المسافة عن طريق قياس إجمالي زمن انتقال موجات الراديو إلى الهدف والعودة. وبما أن سرعة الموجات الراديوية c = 3*10 8 م/ث في الغلاف الجوي تكون ثابتة تقريبًا، فإن R = ct/2.

يتم استخدام أنبوب أشعة الكاثود لتسجيل الإشارات المرسلة والمنعكسة.

تُستخدم موجات الراديو ليس فقط لنقل الصوت، ولكن أيضًا لنقل الصور (التلفزيون).

مبدأ نقل الصور عبر المسافة هو كما يلي. وفي محطة الإرسال، يتم تحويل الصورة إلى سلسلة من الإشارات الكهربائية. يتم بعد ذلك تعديل هذه الإشارات بواسطة التذبذبات الناتجة عن مولد عالي التردد. تحمل الموجة الكهرومغناطيسية المعدلة المعلومات عبر مسافات طويلة. يتم إجراء التحويل العكسي على جهاز الاستقبال. يتم اكتشاف تذبذبات معدلة عالية التردد ويتم تحويل الإشارة الناتجة إلى صورة مرئية. لنقل الحركة، يستخدمون مبدأ السينما: يتم إرسال صور مختلفة قليلاً لجسم متحرك (إطارات) عشرات المرات في الثانية (50 مرة في تلفزيوننا).

يتم تحويل صورة الإطار باستخدام أنبوب إلكتروني مفرغ - منظار الأيقونات - إلى سلسلة من الإشارات الكهربائية. بالإضافة إلى المنظار، هناك أجهزة إرسال أخرى. يوجد داخل منظار الأيقونات شاشة فسيفساء يتم من خلالها عرض صورة لجسم ما باستخدام نظام بصري. كل خلية فسيفساء مشحونة، وتعتمد شحنتها على شدة الضوء الساقط على الخلية. تتغير هذه الشحنة عندما يضرب شعاع الإلكترون الناتج عن مدفع الإلكترون الخلية. يضرب شعاع الإلكترون بالتتابع جميع عناصر خط واحد من الفسيفساء، ثم خط آخر، وما إلى ذلك (إجمالي 625 سطرًا).

يعتمد التيار في المقاوم على مدى تغير شحنة الخلية. ر. لذلك يتغير الجهد عبر المقاومة بما يتناسب مع التغير في الإضاءة على طول خطوط الإطار.

يتم استقبال نفس الإشارة في جهاز الاستقبال التلفزيوني بعد الكشف. هذا إشارة الفيديويتم تحويلها إلى صورة مرئية على شاشة أنبوب الإلكترون المفرغ المستقبل - شريط سينمائي.

لا يمكن إرسال إشارات الراديو التليفزيونية إلا في نطاق الموجات القصيرة للغاية (متر).

فهرس.

1. مياكيف جي.يا. ، بوخوفتسيف ب. الفيزياء - 11.م.1993.

2. تيليسنين ر.ف.، ياكوفليف ف.ف. دورة الفيزياء. كهرباء. م 1970

3. يافورسكي بي إم، بينسكي أ.أ. أساسيات الفيزياء. المجلد 2. م. 1981

مفاهيم عامة عن الموجات الكهرومغناطيسية

في درس اليوم سننظر في موضوع ضروري مثل الموجات الكهرومغناطيسية. وهذا الموضوع مهم، فقط لأن حياتنا الحديثة بأكملها مرتبطة بالتلفزيون والبث الإذاعي والاتصالات المتنقلة. لذلك يجدر التأكيد على أن كل هذا يتم بسبب الموجات الكهرومغناطيسية.

الآن دعنا ننتقل إلى دراسة أكثر تفصيلاً للمسألة المتعلقة بالموجات الكهرومغناطيسية، وقبل كل شيء، سوف نعرب عن تعريف هذه الموجات.

كما تعلمون، الموجة هي اضطراب ينتشر في الفضاء، أي إذا حدث اضطراب ما في مكان ما وانتشر في جميع الاتجاهات، فيمكننا القول أن انتشار هذا الاضطراب ليس أكثر من ظاهرة موجية.

الموجات الكهرومغناطيسية هي ذبذبات كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء بسرعة محدودة تعتمد على خصائص الوسط. بمعنى آخر، يمكننا القول أن الموجة الكهرومغناطيسية هي مجال كهرومغناطيسي أو اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر في الفضاء.

لنبدأ مناقشتنا بحقيقة أن نظرية الموجات الكهرومغناطيسية للمجال الكهرومغناطيسي تم إنشاؤها لأول مرة على يد العالم الإنجليزي جيمس ماكسويل. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام والفضول في هذا العمل هو أنه تبين أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية، كما تعلمون، ومنذ أن ثبت وجودهما معًا. ولكن اتضح أنها يمكن أن توجد بشكل كامل في غياب أي مادة. تم التوصل إلى هذا الاستنتاج المهم للغاية في أعمال جيمس كليرك ماكسويل.

اتضح أن المجال الكهرومغناطيسي يمكن أن يوجد حتى في حالة عدم وجود مادة. قلنا لك أن الموجات الصوتية موجودة فقط في حالة وجود وسط. أي أن الاهتزازات التي تحدث مع الجسيمات لها القدرة على الانتقال فقط حيث توجد جزيئات لها القدرة على نقل هذا الاضطراب.

أما بالنسبة للمجال الكهرومغناطيسي فيمكن أن يوجد حيث لا توجد مادة ولا توجد جزيئات. وهكذا فإن المجال الكهرومغناطيسي موجود في الفراغ، مما يعني أنه إذا خلقنا ظروفًا معينة واستطعنا، كما كانت، أن نحدث اضطرابًا كهرومغناطيسيًا عامًا في الفضاء، فإن هذا الاضطراب لديه القدرة على الانتشار في جميع الاتجاهات. وهذا هو بالضبط ما سيكون لدينا موجة كهرومغناطيسية.

أول شخص استطاع أن يصدر موجة كهرومغناطيسية ويستقبل موجة كهرومغناطيسية هو العالم الألماني هاينريش هيرتز. كان أول من أنشأ مثل هذا التثبيت للإشعاع واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية.

أول شيء يجب أن نقوله هنا هو أنه لإصدار موجة كهرومغناطيسية، نحتاج بالطبع إلى شحنة كهربائية سريعة الحركة إلى حد ما. يجب علينا إنشاء جهاز حيث ستكون هناك شحنة كهربائية سريعة الحركة أو متسارعة الحركة.

أثبت هاينريش هيرتز، بمساعدة تجاربه، أنه من أجل الحصول على موجة كهرومغناطيسية قوية وملحوظة تمامًا، يجب أن تتأرجح الشحنة الكهربائية المتحركة بتردد عالٍ جدًا، أي في حدود عدة عشرات الآلاف من الهرتز. وينبغي التأكيد أيضًا على أنه في حالة حدوث مثل هذا التذبذب عند الشحن، فسيتم إنشاء مجال كهرومغناطيسي متناوب حوله وينتشر في جميع الاتجاهات. أي أنها ستكون موجة كهرومغناطيسية.

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية

ومن الضروري أيضًا ملاحظة حقيقة أن الموجة الكهرومغناطيسية لها بالطبع خصائص معينة، وقد تمت الإشارة إلى هذه الخصائص بدقة في أعمال ماكسويل.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن خصائص الموجات الكهرومغناطيسية لها اختلافات معينة، وتعتمد أيضًا إلى حد كبير على طولها. اعتمادًا على الخصائص والطول الموجي، تنقسم الموجات الكهرومغناطيسية إلى نطاقات. لديهم مقياس تعسفي إلى حد ما، لأن النطاقات المجاورة تميل إلى التداخل مع بعضها البعض.

ومن المفيد أيضًا معرفة أن بعض المناطق لها خصائص مشتركة. تشمل هذه الخصائص:

القدرة على الاختراق
سرعة عالية في الانتشار في المادة؛
التأثير على جسم الإنسان، إيجابيًا وسلبيًا، وما إلى ذلك.

وتشمل أنواع الموجات الكهرومغناطيسية موجات الراديو، ونطاقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، وكذلك الأشعة السينية، وأشعة جاما وغيرها.

الآن دعونا ننظر بعناية إلى الجدول أدناه وندرس بمزيد من التفصيل كيف يمكن تصنيف الموجات الكهرومغناطيسية، وما هي أنواع الإشعاع الموجودة، ومصادر الإشعاع، وكذلك ترددها:

حقائق مثيرة للاهتمام حول الموجات الكهرومغناطيسية

ربما لن يكون سرا أن الفضاء المحيط بنا يتخلله الإشعاع الكهرومغناطيسي. لا يرتبط هذا الإشعاع بهوائيات الهاتف والراديو فحسب، بل يرتبط أيضًا بالأجسام المحيطة بنا، أي الأرض والشمس والنجوم. اعتمادًا على تردد التذبذبات، قد يكون للموجات الكهرومغناطيسية أسماء مختلفة، لكن جوهرها متشابه. وتشمل هذه الموجات الكهرومغناطيسية موجات الراديو، والأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، والأشعة السينية، وكذلك أشعة المجال الحيوي.

مثل هذا المصدر غير المحدود للطاقة مثل المجال الكهرومغناطيسي يسبب تقلبات في الشحنات الكهربائية للذرات والجزيئات. ويترتب على ذلك أنه عندما تتأرجح الشحنة تتحرك بشكل متسارع وفي نفس الوقت تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية.

تأثير الموجات الكهرومغناطيسية على صحة الإنسان

لسنوات عديدة، اهتم العلماء بمشكلة تأثير المجالات الكهرومغناطيسية على صحة الإنسان والحيوان والنبات، ولذلك يكرسون الكثير من الوقت للبحث والدراسة لهذه المشكلة.

ربما كان كل واحد منكم قد ذهب إلى المراقص ولاحظ أنه تحت تأثير مصابيح الأشعة فوق البنفسجية، بدأت الملابس ذات الألوان الفاتحة في التوهج. ولا يشكل هذا النوع من الإشعاع خطراً على الكائنات الحية.

ولكن عند زيارة مقصورة التشمس الاصطناعي أو استخدام مصابيح الأشعة فوق البنفسجية للأغراض الطبية، من الضروري استخدام حماية العين، لأن هذا التعرض يمكن أن يسبب فقدان الرؤية على المدى القصير.

أيضًا عند استخدام مصابيح الأشعة فوق البنفسجية المبيدة للجراثيم والتي تستخدم لتطهير المباني يجب أن تكون حذرًا للغاية وعند استخدامها يجب عليك مغادرة الغرفة لأنها تؤثر سلبًا على جلد الإنسان وكذلك النباتات وتسبب حروق الأوراق.

ولكن بالإضافة إلى مصادر الإشعاع والأجهزة المختلفة من حولنا، فإن جسم الإنسان لديه أيضًا مجالاته الكهربائية والمغناطيسية الخاصة به. لكن يجب أن تعلم أيضًا أن المجالات الكهرومغناطيسية في جسم الإنسان، طوال حياته، تميل إلى التغير باستمرار.

لتحديد المجال الكهرومغناطيسي للشخص، يتم استخدام جهاز دقيق مثل مخطط الدماغ. باستخدام هذا الجهاز، يمكنك قياس المجال الكهرومغناطيسي للشخص بدقة وتحديد نشاطه في القشرة الدماغية. بفضل ظهور جهاز مثل مخطط الدماغ، أصبح من الممكن تشخيص الأمراض المختلفة حتى في مرحلة مبكرة.

الموجات الكهرومغناطيسية (التي سيتم عرض جدولها أدناه) هي اضطرابات في المجالات المغناطيسية والكهربائية الموزعة في الفضاء. هناك عدة أنواع منهم. تدرس الفيزياء هذه الاضطرابات. تتشكل الموجات الكهرومغناطيسية بسبب حقيقة أن المجال الكهربائي المتناوب يولد مجالًا مغناطيسيًا، والذي بدوره يولد مجالًا كهربائيًا.

تاريخ البحث

النظريات الأولى، والتي يمكن اعتبارها أقدم إصدارات الفرضيات حول الموجات الكهرومغناطيسية، تعود على الأقل إلى زمن هيغنز. خلال تلك الفترة، وصلت الافتراضات إلى تطور كمي واضح. أصدر Huygens في عام 1678 نوعًا من "الرسم التخطيطي" للنظرية - "أطروحة حول الضوء". وفي عام 1690، نشر عملاً رائعًا آخر. وقد أوجزت النظرية النوعية للانعكاس والانكسار بالشكل الذي لا تزال تقدم به في الكتب المدرسية اليوم ("الموجات الكهرومغناطيسية،" الصف التاسع).

وفي الوقت نفسه، تمت صياغة مبدأ هيغنز. وبمساعدتها أصبح من الممكن دراسة حركة جبهة الموجة. وجد هذا المبدأ تطوره فيما بعد في أعمال فريسنل. كان لمبدأ هيجنز-فريسنل أهمية خاصة في نظرية الحيود والنظرية الموجية للضوء.

في ستينيات وسبعينيات القرن السادس عشر، قدم هوك ونيوتن مساهمات تجريبية ونظرية كبيرة في الأبحاث. من هو مكتشف الموجات الكهرومغناطيسية؟ ومن أجرى التجارب لإثبات وجودها؟ ما هي أنواع الموجات الكهرومغناطيسية الموجودة؟ المزيد عن هذا لاحقا.

الأساس المنطقي ماكسويل

وقبل الحديث عن من اكتشف الموجات الكهرومغناطيسية، لا بد من القول أن أول عالم تنبأ بوجودها بشكل عام هو فاراداي. طرح فرضيته في عام 1832. عمل ماكسويل بعد ذلك على بناء النظرية. بحلول عام 1865 أكمل هذا العمل. ونتيجة لذلك، صاغ ماكسويل النظرية بدقة رياضيا، مما يبرر وجود الظواهر قيد النظر. كما قام بتحديد سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، والتي تزامنت مع القيمة المستخدمة آنذاك لسرعة الضوء. وهذا بدوره سمح له بإثبات الفرضية القائلة بأن الضوء هو أحد أنواع الإشعاع قيد النظر.

الكشف التجريبي

تم تأكيد نظرية ماكسويل من خلال تجارب هيرتز في عام 1888. وتجدر الإشارة هنا إلى أن الفيزيائي الألماني أجرى تجاربه لدحض النظرية، رغم مبرراتها الرياضية. ومع ذلك، بفضل تجاربه، أصبح هيرتز أول من اكتشف عمليا الموجات الكهرومغناطيسية. بالإضافة إلى ذلك، حدد العالم خلال تجاربه خصائص وخصائص الإشعاع.

حصل هيرتز على التذبذبات والموجات الكهرومغناطيسية عن طريق إثارة سلسلة من النبضات ذات التدفق المتغير بسرعة في هزاز باستخدام مصدر عالي الجهد. يمكن اكتشاف التيارات عالية التردد باستخدام الدائرة. كلما زادت السعة والمحاثة، كلما زاد تردد التذبذب. ولكن في الوقت نفسه، فإن التردد العالي لا يضمن التدفق المكثف. ولإجراء تجاربه، استخدم هيرتز جهازًا بسيطًا إلى حد ما، يُسمى اليوم "هزاز هيرتز". الجهاز عبارة عن دائرة تذبذبية من النوع المفتوح.

رسم تخطيطي لتجربة هيرتز

تم تسجيل الإشعاع باستخدام هزاز الاستقبال. كان لهذا الجهاز نفس تصميم جهاز الباعث. تحت تأثير الموجة الكهرومغناطيسية للمجال الكهربائي المتناوب، تم إثارة التذبذب الحالي في جهاز الاستقبال. إذا تزامن تردده الطبيعي مع تردد التدفق في هذا الجهاز، ظهر الرنين. ونتيجة لذلك، حدثت اضطرابات في جهاز الاستقبال بسعة أكبر. وقد اكتشفها الباحث من خلال ملاحظة الشرر بين الموصلات في فجوة صغيرة.

وبذلك أصبح هيرتز أول من اكتشف الموجات الكهرومغناطيسية وأثبت قدرتها على الانعكاس بشكل جيد من الموصلات. لقد أثبت عمليا تكوين الإشعاع الدائم. بالإضافة إلى ذلك، حدد هيرتز سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الهواء.

دراسة الخصائص

تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في جميع الوسائط تقريبًا. في الفضاء المليء بالمادة، يمكن للإشعاع في بعض الحالات أن يتوزع بشكل جيد. لكن في نفس الوقت يغيرون سلوكهم إلى حد ما.

يتم الكشف عن الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ دون توهين. يتم توزيعها على أي مسافة، مهما كانت كبيرة. الخصائص الرئيسية للموجات تشمل الاستقطاب والتردد والطول. يتم وصف الخصائص في إطار الديناميكا الكهربائية. ومع ذلك، تتعامل فروع الفيزياء الأكثر تحديدًا مع خصائص الإشعاع الصادر من مناطق معينة من الطيف. وتشمل هذه، على سبيل المثال، البصريات.

تتم دراسة الإشعاع الكهرومغناطيسي الصلب عند الطرف الطيفي للموجة القصيرة بواسطة قسم الطاقة العالية. مع الأخذ في الاعتبار الأفكار الحديثة، تتوقف الديناميكيات عن أن تكون نظاما مستقلا ويتم دمجها مع نظرية واحدة.

النظريات المستخدمة في دراسة الخصائص

توجد اليوم طرق مختلفة تسهل نمذجة ودراسة مظاهر وخصائص التذبذبات. تعتبر الديناميكا الكهربائية الكمومية من أهم النظريات المختبرة والمكتملة. ومن خلاله، ومن خلال بعض التبسيطات، يصبح من الممكن الحصول على الطرق المذكورة أدناه، والتي تستخدم على نطاق واسع في مختلف المجالات.

يتم وصف الإشعاع منخفض التردد نسبيًا في بيئة مجهرية باستخدام الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. يعتمد على معادلات ماكسويل. ومع ذلك، هناك تبسيط في التطبيقات. تستخدم الدراسة البصرية البصريات. تُستخدم نظرية الموجة في الحالات التي تكون فيها بعض أجزاء النظام البصري قريبة في الحجم من الأطوال الموجية. يتم استخدام البصريات الكمومية عندما تكون عمليات تشتت وامتصاص الفوتونات مهمة.

النظرية البصرية الهندسية هي حالة محدودة حيث يمكن تجاهل الطول الموجي. هناك أيضًا العديد من الأقسام التطبيقية والأساسية. وتشمل هذه، على سبيل المثال، الفيزياء الفلكية، وبيولوجيا الإدراك البصري والتمثيل الضوئي، والكيمياء الضوئية. كيف يتم تصنيف الموجات الكهرومغناطيسية؟ ويرد أدناه جدول يوضح بوضوح التوزيع إلى المجموعات.

تصنيف

هناك نطاقات ترددية للموجات الكهرومغناطيسية. لا توجد انتقالات حادة بينهما، وأحيانا تتداخل مع بعضها البعض. الحدود بينهما تعسفية تمامًا. نظرًا لأن التدفق يتم توزيعه بشكل مستمر، فإن التردد يرتبط بشكل صارم بالطول. وفيما يلي نطاقات الموجات الكهرومغناطيسية.

عادة ما يتم تقسيم الإشعاع الفائق القصر إلى ميكرومتر (تحت المليمتر)، ملليمتر، سنتيمتر، ديسيمتر، متر. إذا كان الإشعاع الكهرومغناطيسي أقل من متر، فإنه عادة ما يسمى تذبذب التردد الفائق (الميكروويف).

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية

أعلاه هي نطاقات الموجات الكهرومغناطيسية. ما هي أنواع التدفقات الموجودة؟ وتشمل المجموعة أشعة جاما والأشعة السينية. يجب أن يقال أن كلاً من الضوء فوق البنفسجي وحتى الضوء المرئي قادر على تأين الذرات. يتم تحديد الحدود التي تقع ضمنها تدفقات جاما والأشعة السينية بشكل مشروط للغاية. كمبدأ توجيهي عام، يتم قبول حدود 20 فولت - 0.1 ميجا فولت. تنبعث تدفقات جاما بالمعنى الضيق من النواة، وتنبعث تدفقات الأشعة السينية من الغلاف الذري للإلكترون في عملية طرد الإلكترونات من المدارات المنخفضة. ومع ذلك، فإن هذا التصنيف لا ينطبق على الإشعاعات الصلبة المتولدة دون مشاركة النوى والذرات.

تتشكل تدفقات الأشعة السينية عندما تتباطأ الجسيمات السريعة المشحونة (البروتونات والإلكترونات وغيرها) ونتيجة للعمليات التي تحدث داخل أغلفة الإلكترون الذرية. تنشأ تذبذبات جاما نتيجة للعمليات التي تحدث داخل نوى الذرات وأثناء تحول الجسيمات الأولية.

تيارات الراديو

ونظرًا لقيمة الأطوال الكبيرة، يمكن النظر في هذه الموجات دون الأخذ بعين الاعتبار التركيب الذري للوسط. كاستثناء، تعمل فقط التدفقات الأقصر، المتاخمة لمنطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف. في النطاق الراديوي، تظهر الخصائص الكمومية للاهتزازات بشكل ضعيف إلى حد ما. ومع ذلك، يجب أن تؤخذ في الاعتبار، على سبيل المثال، عند تحليل معايير الوقت الجزيئي والتردد أثناء تبريد المعدات إلى درجة حرارة عدة كلفن.

تؤخذ الخصائص الكمومية أيضًا في الاعتبار عند وصف المولدات ومكبرات الصوت في نطاقات المليمتر والسنتيمتر. يتشكل تيار الراديو أثناء حركة التيار المتردد عبر موصلات التردد المقابل. والموجة الكهرومغناطيسية المارة في الفضاء تثير الموجة المقابلة. تُستخدم هذه الخاصية في تصميم الهوائيات في هندسة الراديو.

المواضيع المرئية

تشكل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء المرئية، بالمعنى الواسع للكلمة، ما يسمى بالجزء البصري من الطيف. يتم تحديد اختيار هذه المنطقة ليس فقط من خلال قرب المناطق المقابلة، ولكن أيضًا من خلال تشابه الأدوات المستخدمة في البحث والتي تم تطويرها بشكل أساسي أثناء دراسة الضوء المرئي. وتشمل هذه، على وجه الخصوص، المرايا والعدسات لتركيز الإشعاع، وشبكات الحيود، والمنشورات وغيرها.

ترددات الموجات الضوئية قابلة للمقارنة مع ترددات الجزيئات والذرات، وأطوالها قابلة للمقارنة مع المسافات بين الجزيئات والأحجام الجزيئية. ولذلك فإن الظواهر التي تنتج عن التركيب الذري للمادة تصبح ذات أهمية في هذا المجال. وللسبب نفسه، فإن للضوء، إلى جانب خصائصه الموجية، خصائص كمومية أيضًا.

ظهور التدفقات الضوئية

المصدر الأكثر شهرة هو الشمس. تبلغ درجة حرارة سطح النجم (الغلاف الضوئي) 6000 درجة كلفن وينبعث منه ضوء أبيض ساطع. تقع أعلى قيمة للطيف المستمر في المنطقة "الخضراء" - 550 نانومتر. وهذا أيضًا هو المكان الذي توجد فيه الحساسية البصرية القصوى. تحدث التذبذبات في النطاق البصري عندما يتم تسخين الأجسام. لذلك تسمى تدفقات الأشعة تحت الحمراء أيضًا بالتدفقات الحرارية.

كلما زادت حرارة الجسم، كلما ارتفع التردد حيث يقع الحد الأقصى للطيف. مع زيادة معينة في درجة الحرارة، لوحظ التوهج (توهج في النطاق المرئي). في هذه الحالة، يظهر اللون الأحمر أولاً، ثم الأصفر، وهكذا. يمكن أن يحدث إنشاء وتسجيل التدفقات الضوئية في التفاعلات البيولوجية والكيميائية، والتي يستخدم أحدها في التصوير الفوتوغرافي. بالنسبة لمعظم الكائنات التي تعيش على الأرض، يعتبر التمثيل الضوئي بمثابة مصدر للطاقة. يحدث هذا التفاعل البيولوجي في النباتات تحت تأثير الإشعاع الشمسي البصري.

مميزات الموجات الكهرومغناطيسية

تؤثر خصائص الوسط والمصدر على خصائص التدفقات. وهذا يحدد، على وجه الخصوص، الاعتماد الزمني للحقول، والذي يحدد نوع التدفق. على سبيل المثال، عندما تتغير المسافة من الهزاز (كلما زادت)، يصبح نصف قطر الانحناء أكبر. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل موجة كهرومغناطيسية مستوية. يحدث التفاعل مع المادة أيضًا بطرق مختلفة.

كقاعدة عامة، يمكن وصف عمليات الامتصاص وانبعاث التدفقات باستخدام العلاقات الكهروديناميكية الكلاسيكية. بالنسبة للموجات في المنطقة البصرية والأشعة الصلبة، يجب أن تؤخذ طبيعتها الكمومية بعين الاعتبار بشكل أكبر.

مصادر الدفق

على الرغم من الاختلاف المادي، في كل مكان - في مادة مشعة، جهاز إرسال تلفزيوني، مصباح متوهج - يتم تحفيز الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة الشحنات الكهربائية التي تتحرك مع التسارع. هناك نوعان رئيسيان من المصادر: المجهرية والعيانية. في الحالة الأولى، هناك انتقال مفاجئ للجسيمات المشحونة من مستوى إلى آخر داخل الجزيئات أو الذرات.

تنبعث من المصادر المجهرية الأشعة السينية، وأشعة جاما، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء، والأشعة المرئية، وفي بعض الحالات الإشعاع طويل الموجة. ومثال على هذا الأخير هو الخط الموجود في طيف الهيدروجين، والذي يتوافق مع طول موجة يبلغ 21 سم. وهذه الظاهرة لها أهمية خاصة في علم الفلك الراديوي.

المصادر العيانية هي بواعث تقوم فيها الإلكترونات الحرة للموصلات بتذبذبات دورية متزامنة. في أنظمة هذه الفئة، يتم إنشاء التدفقات من مقياس المليمتر إلى الأطول (في خطوط الكهرباء).

هيكل وقوة التدفقات

تؤثر التيارات المتسارعة والمتغيرة بشكل دوري على بعضها البعض بقوى معينة. ويعتمد الاتجاه وحجمها على عوامل مثل حجم وتكوين المنطقة التي توجد فيها التيارات والشحنات، واتجاهها وحجمها النسبيين. إن الخصائص الكهربائية لوسط معين، وكذلك التغيرات في تركيز الشحنات وتوزيع تيارات المصدر، لها أيضًا تأثير كبير.

نظرا للتعقيد العام لبيان المشكلة، فمن المستحيل تقديم قانون القوى في شكل صيغة واحدة. يتم تحديد البنية، التي تسمى المجال الكهرومغناطيسي، والتي تعتبر، إذا لزم الأمر، ككائن رياضي، من خلال توزيع الشحنات والتيارات. ويتم إنشاؤه بدوره بواسطة مصدر معين مع مراعاة شروط الحدود. يتم تحديد الشروط حسب شكل منطقة التفاعل وخصائص المادة. إذا كنا نتحدث عن مساحة غير محدودة، يتم استكمال هذه الظروف. تعمل حالة الإشعاع كشرط إضافي خاص في مثل هذه الحالات. وبفضل ذلك، يتم ضمان "صحة" السلوك الميداني عند اللانهاية.

التسلسل الزمني للدراسة

يتوقع لومونوسوف في بعض أحكامه الافتراضات الفردية لنظرية المجال الكهرومغناطيسي: الحركة "الدوارة" (الدورانية) للجسيمات، ونظرية "الموجة" (الموجة) للضوء، وقواسمها المشتركة مع طبيعة الكهرباء، وما إلى ذلك. تم اكتشاف التدفقات في عام 1800 من قبل هيرشل (عالم إنجليزي)، وفي العام التالي، 1801، وصف ريتر الأشعة فوق البنفسجية. اكتشف رونتجن إشعاعًا ذا نطاق أقصر من الأشعة فوق البنفسجية في عام 1895، في 8 نوفمبر. وبعد ذلك حصلت على اسم الأشعة السينية.

تمت دراسة تأثير الموجات الكهرومغناطيسية من قبل العديد من العلماء. ومع ذلك، فإن أول من استكشف إمكانيات التدفقات ونطاق تطبيقها كان ناركيفيتش-إيودكو (عالم بيلاروسي). درس خصائص التدفقات فيما يتعلق بالطب العملي. اكتشف بول ويلارد إشعاع جاما في عام 1900. خلال نفس الفترة، أجرى بلانك دراسات نظرية لخصائص الجسم الأسود. وفي عملية الدراسة، اكتشف الطبيعة الكمومية لهذه العملية. كان عمله بمثابة بداية التطور، وفي وقت لاحق، تم نشر العديد من أعمال بلانك وأينشتاين. أدت أبحاثهم إلى تشكيل مفهوم مثل الفوتون. وهذا بدوره وضع الأساس لإنشاء نظرية الكم للتدفقات الكهرومغناطيسية. واستمر تطورها في أعمال الشخصيات العلمية الرائدة في القرن العشرين.

أدى المزيد من البحث والعمل حول نظرية الكم للإشعاع الكهرومغناطيسي وتفاعله مع المادة في النهاية إلى تكوين الديناميكا الكهربائية الكمومية بالشكل الذي توجد به اليوم. من بين العلماء البارزين الذين درسوا هذه المسألة، بالإضافة إلى أينشتاين وبلانك، بور، بوز، ديراك، دي بروجلي، هايزنبرغ، توموناغا، شوينغر، فاينمان.

خاتمة

أهمية الفيزياء في العالم الحديث كبيرة جدًا. ظهر كل ما يستخدم في حياة الإنسان تقريبًا اليوم بفضل الاستخدام العملي لأبحاث العلماء العظماء. أدى اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية ودراستها، على وجه الخصوص، إلى إنشاء أجهزة إرسال لاسلكية تقليدية، ومن ثم الهواتف المحمولة. إن التطبيق العملي لهذه المعرفة النظرية له أهمية خاصة في مجال الطب والصناعة والتكنولوجيا.

ويرجع هذا الاستخدام الواسع النطاق إلى الطبيعة الكمية للعلم. تعتمد جميع التجارب الفيزيائية على القياسات ومقارنة خصائص الظواهر التي تتم دراستها بالمعايير الحالية. ولهذا الغرض تم تطوير مجموعة معقدة من أدوات ووحدات القياس داخل هذا التخصص. هناك عدد من الأنماط المشتركة بين جميع أنظمة المواد الموجودة. على سبيل المثال، تعتبر قوانين حفظ الطاقة قوانين فيزيائية عامة.

يُطلق على العلم ككل اسم أساسي في كثير من الحالات. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى حقيقة أن التخصصات الأخرى تقدم أوصافًا، والتي بدورها تخضع لقوانين الفيزياء. وهكذا تتم في الكيمياء دراسة الذرات والمواد المتكونة منها والتحولات. لكن الخواص الكيميائية للأجسام تتحدد من خلال الخصائص الفيزيائية للجزيئات والذرات. تصف هذه الخصائص فروعًا من الفيزياء مثل الكهرومغناطيسية والديناميكا الحرارية وغيرها.

الإشعاع الكهرومغناطيسي موجود تمامًا طالما كان كوننا على قيد الحياة. ولعبت دورا رئيسيا في تطور الحياة على الأرض. في الواقع، هذا الاضطراب هو حالة المجال الكهرومغناطيسي الموزع في الفضاء.

خصائص الإشعاع الكهرومغناطيسي

يتم وصف أي موجة كهرومغناطيسية باستخدام ثلاث خصائص.

1. التردد.

2. الاستقطاب.

الاستقطاب- إحدى سمات الموجة الرئيسية. يصف التباين العرضي للموجات الكهرومغناطيسية. يعتبر الإشعاع مستقطبًا عندما تحدث جميع تذبذبات الموجات في نفس المستوى.

يتم استخدام هذه الظاهرة بنشاط في الممارسة العملية. على سبيل المثال، في دور السينما عند عرض أفلام ثلاثية الأبعاد.

باستخدام الاستقطاب، تقوم نظارات IMAX بفصل الصورة المخصصة للعيون المختلفة.

تكرار- عدد قمم الموجات التي تمر أمام الراصد (في هذه الحالة الكاشف) في ثانية واحدة. يتم قياسه بالهرتز.

الطول الموجي- مسافة محددة بين أقرب نقاط الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تحدث تذبذباتها في نفس المرحلة.

يمكن أن ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في أي وسيلة تقريبًا: من المادة الكثيفة إلى الفراغ.

وتبلغ سرعة انتشاره في الفراغ 300 ألف كيلومتر في الثانية.

لمشاهدة فيديو مثير للاهتمام حول طبيعة وخصائص الموجات الكهرومغناطيسية، شاهد الفيديو أدناه:

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية

يتم تقسيم كل الإشعاع الكهرومغناطيسي على التردد.

1. موجات الراديو.هناك قصيرة، قصيرة جدا، طويلة جدا، طويلة، متوسطة.

يتراوح طول موجات الراديو من 10 كيلومتر إلى 1 ملم، ومن 30 كيلو هرتز إلى 300 جيجا هرتز.

يمكن أن تكون مصادرها نشاطًا بشريًا وظواهر جوية طبيعية مختلفة.

2. . يتراوح الطول الموجي من 1 ملم إلى 780 نانومتر، ويمكن أن يصل إلى 429 هرتز. يُطلق على الأشعة تحت الحمراء أيضًا اسم الإشعاع الحراري. أساس كل الحياة على كوكبنا.

3. الضوء المرئي.الطول 400 - 760/780 نانومتر. وبناء على ذلك، فإنه يتقلب بين 790-385 تيراهيرتز. وهذا يشمل كامل نطاق الإشعاع الذي يمكن رؤيته بالعين البشرية.

4. . الطول الموجي أقصر من الأشعة تحت الحمراء.

يمكن أن يصل إلى 10 نانومتر. هذه الموجات كبيرة جدًا - حوالي 3x10^16 هرتز.

5. الأشعة السينية. الموجات 6×10^19 هرتز، وطولها حوالي 10 نانومتر - 5 مساءً.

6. موجات جاما.ويشمل ذلك أي إشعاع أكبر من الأشعة السينية، ويكون طوله أقصر. مصدر هذه الموجات الكهرومغناطيسية هو العمليات النووية الكونية.

نطاق التطبيق

في مكان ما منذ نهاية القرن التاسع عشر، ارتبط كل التقدم البشري بالاستخدام العملي للموجات الكهرومغناطيسية.

أول شيء يستحق الذكر هو الاتصالات اللاسلكية. لقد أتاح للناس الفرصة للتواصل، حتى لو كانوا بعيدين عن بعضهم البعض.

يعد البث عبر الأقمار الصناعية والاتصالات السلكية واللاسلكية بمثابة تطور إضافي للاتصالات الراديوية البدائية.

هذه التقنيات هي التي شكلت الصورة المعلوماتية للمجتمع الحديث.

يجب اعتبار مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي منشآت صناعية كبيرة وخطوط كهرباء مختلفة.

تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية بنشاط في الشؤون العسكرية (الرادارات والأجهزة الكهربائية المعقدة). كما أن الطب لا يستطيع الاستغناء عن استخدامها. يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لعلاج العديد من الأمراض.

تساعد الأشعة السينية في تحديد الضرر الذي يصيب الأنسجة الداخلية للشخص.

يتم استخدام الليزر لإجراء عدد من العمليات التي تتطلب دقة بالغة.

من الصعب المبالغة في تقدير أهمية الإشعاع الكهرومغناطيسي في الحياة العملية للإنسان.

فيديو سوفيتي عن المجال الكهرومغناطيسي:

التأثير السلبي المحتمل على البشر

على الرغم من كونها مفيدة، إلا أن المصادر القوية للإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تسبب أعراضًا مثل:

تعب؛

صداع؛

غثيان.

يؤدي التعرض المفرط لأنواع معينة من الموجات إلى تلف الأعضاء الداخلية والجهاز العصبي المركزي والدماغ. التغييرات في النفس البشرية ممكنة.

فيديو مثير للاهتمام حول تأثير الموجات الكهرومغناطيسية على البشر:

لتجنب مثل هذه العواقب، لدى جميع دول العالم تقريبًا معايير تحكم السلامة الكهرومغناطيسية. كل نوع من الإشعاع له وثائقه التنظيمية الخاصة (المعايير الصحية ومعايير السلامة من الإشعاع). ولم تتم دراسة تأثير الموجات الكهرومغناطيسية على البشر بشكل كامل، لذا توصي منظمة الصحة العالمية بتقليل التعرض لها.