هر بار که یک جریان الکتریکی فرکانس یا جهت خود را تغییر می دهد، امواج الکترومغناطیسی ایجاد می کند - نوسانات میدان های نیروی الکتریکی و مغناطیسی در فضا. یک مثال تغییر جریان در آنتن فرستنده رادیویی است که حلقه هایی از امواج رادیویی را ایجاد می کند که در فضا منتشر می شوند.

انرژی یک موج الکترومغناطیسی به طول آن بستگی دارد - فاصله بین دو "قله" مجاور. هر چه طول موج کوتاهتر باشد، انرژی آن بیشتر است. امواج الکترومغناطیسی به ترتیب نزولی به طول خود به امواج رادیویی، اشعه مادون قرمز، نور مرئی، فرابنفش، اشعه ایکس و گاما تقسیم می شوند. طول موج تشعشعات گاما به صد میلیاردم متر هم نمی رسد، در حالی که امواج رادیویی می توانند طولی بر حسب کیلومتر داشته باشند.

امواج الکترومغناطیسیبا سرعت نور در فضا منتشر می شوند و خطوط نیروی میدان های الکتریکی و مغناطیسی آنها در زاویه قائمه نسبت به یکدیگر و جهت حرکت موج قرار دارند.

امواج الکترومغناطیسیاز آنتن فرستنده یک ایستگاه رادیویی دو طرفه به صورت دایره‌هایی که بتدریج گسترده می‌شوند، تابش می‌کنند، شبیه به روشی که امواج هنگام سقوط یک سنگریزه در حوضچه انجام می‌دهند. جریان الکتریکی متناوب در آنتن امواجی متشکل از میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می کند.

مدار موج الکترومغناطیسی

یک موج الکترومغناطیسی در یک خط مستقیم حرکت می کند و میدان های الکتریکی و مغناطیسی آن بر جریان انرژی عمود هستند.

شکست امواج الکترومغناطیسی

درست مانند نور، تمام امواج الکترومغناطیسی زمانی که در هر زاویه ای غیر از زاویه قائمه وارد ماده شوند، شکسته می شوند.

انعکاس امواج الکترومغناطیسی

اگر امواج الکترومغناطیسی روی یک سطح سهموی فلزی بیفتند، در یک نقطه متمرکز می شوند.

ظهور امواج الکترومغناطیسی

الگوی کاذب امواج الکترومغناطیسی که از یک آنتن فرستنده ساطع می شود از یک نوسان جریان الکتریکی ناشی می شود. هنگامی که جریان از آنتن عبور می کند، میدان الکتریکی (خطوط قرمز) از بالا به پایین هدایت می شود و میدان مغناطیسی (خطوط سبز) در خلاف جهت عقربه های ساعت هدایت می شود. اگر جریان جهت خود را تغییر دهد، همین اتفاق برای میدان های الکتریکی و مغناطیسی می افتد.

منطقه ای ولادیمیر
صنعتی - تجاری
لیسیوم

خلاصه

امواج الکترومغناطیسی

تکمیل شد:
دانش آموز 11 کلاس "ب".
لووف میخائیل
بررسی شد:

ولادیمیر 2001

طرح

1. مقدمه…………………………………………………………………………………………………………

2. مفهوم موج و خصوصیات آن ……………………………… 4

3. امواج الکترومغناطیسی……………………………………………

4. اثبات تجربی وجود
امواج الکترومغناطیسی……………………………………………………

5. چگالی شار تابش الکترومغناطیسی……………. 7

6. اختراع رادیو……………………………………………………………….…

7. خواص امواج الکترومغناطیسی……………………………10

8. مدولاسیون و تشخیص…………………………………………………………………………………………………………

9. انواع امواج رادیویی و توزیع آنها……………………………………………………………

معرفی

فرآیندهای موجی در طبیعت بسیار گسترده هستند. دو نوع امواج در طبیعت وجود دارد: مکانیکی و الکترومغناطیسی. امواج مکانیکی در ماده منتشر می شوند: گاز، مایع یا جامد. امواج الکترومغناطیسی برای انتشار به هیچ ماده ای نیاز ندارند که شامل امواج رادیویی و نور می شود. میدان الکترومغناطیسی می تواند در خلاء، یعنی در فضایی که اتم ندارد، وجود داشته باشد. علیرغم تفاوت قابل توجه امواج الکترومغناطیسی و امواج مکانیکی، امواج الکترومغناطیسی در طول انتشار خود مشابه امواج مکانیکی رفتار می کنند. اما مانند نوسانات، همه انواع امواج از نظر کمی با قوانین یکسان یا تقریباً یکسان توصیف می شوند. در کار خود سعی خواهم کرد دلایل وقوع امواج الکترومغناطیسی، خواص و کاربرد آنها در زندگی ما را در نظر بگیرم.

مفهوم موج و ویژگی های آن

موج ارتعاشاتی نامیده می شوند که در طول زمان در فضا منتشر می شوند.

مهمترین ویژگی یک موج سرعت آن است. امواج با هر ماهیتی فوراً در فضا منتشر نمی شوند. سرعت آنها محدود است.

هنگامی که یک موج مکانیکی منتشر می شود، حرکت از یک قسمت بدن به قسمت دیگر منتقل می شود. با انتقال حرکت، انتقال انرژی مرتبط است. خاصیت اصلی همه امواج، صرف نظر از ماهیت آنها، این است که بدون انتقال ماده، آنرژی را منتقل می کنند. انرژی از منبعی می آید که ارتعاشات ابتدای بند ناف، ریسمان و غیره را تحریک می کند و همراه با موج پخش می شود. انرژی به طور مداوم در هر مقطعی جریان دارد. این انرژی متشکل از انرژی جنبشی حرکت بخش‌هایی از بند ناف و انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک آن است. کاهش تدریجی دامنه نوسانات با انتشار موج با تبدیل بخشی از انرژی مکانیکی به انرژی داخلی همراه است.

اگر انتهای یک طناب لاستیکی کشیده را به طور هماهنگ با فرکانس مشخص v به ارتعاش درآورید، آنگاه این ارتعاشات شروع به انتشار در طول طناب خواهند کرد. لرزش هر بخش از بند ناف با همان فرکانس و دامنه ارتعاشات انتهای بند ناف رخ می دهد. اما فقط این نوسانات در فاز نسبت به یکدیگر جابجا می شوند. چنین امواجی نامیده می شود تک رنگ.

اگر تغییر فاز بین نوسانات دو نقطه سیم برابر با 2n باشد، این نقاط دقیقاً یکسان هستند: بالاخره cos(2lvt+2l) = =сos2пvt. چنین نوساناتی نامیده می شود در فاز(در همان مراحل رخ می دهد).

فاصله بین نقاط نزدیک به یکدیگر که در همان فازها در نوسان هستند، طول موج نامیده می شود.

رابطه بین طول موج λ، فرکانس v و سرعت موج c. در طول یک دوره نوسان، موج در فاصله λ منتشر می شود. بنابراین سرعت آن با فرمول تعیین می شود

از آن دوره تیو فرکانس v با رابطه T = 1 / v مرتبط هستند

سرعت موج برابر است با حاصل ضرب طول موج و فرکانس نوسان.

امواج الکترومغناطیسی

حالا بیایید به بررسی مستقیم امواج الکترومغناطیسی بپردازیم.

قوانین بنیادی طبیعت می توانند بسیار بیشتر از آنچه در حقایقی که از آن مشتق شده اند، آشکار کنند. یکی از این قوانین الکترومغناطیس کشف شده توسط ماکسول است.

در میان پیامدهای بی شمار، بسیار جالب و مهم ناشی از قوانین میدان الکترومغناطیسی ماکسول، یکی شایسته توجه ویژه است. این نتیجه گیری است که برهمکنش الکترومغناطیسی با سرعت محدود منتشر می شود.

بر اساس تئوری عمل کوتاه برد، حرکت یک بار، میدان الکتریکی نزدیک آن را تغییر می دهد. این میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی متناوب در مناطق مجاور فضا ایجاد می کند. یک میدان مغناطیسی متناوب، به نوبه خود، یک میدان الکتریکی متناوب و غیره ایجاد می کند.

بنابراین، حرکت بار باعث "ترکیدن" میدان الکترومغناطیسی می شود، که با گسترش، مناطق وسیعی از فضای اطراف را پوشش می دهد.

ماکسول از نظر ریاضی ثابت کرد که سرعت انتشار این فرآیند برابر با سرعت نور در خلاء است.

تصور کنید که یک بار الکتریکی به سادگی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل نشده است، بلکه در نوسانات سریع در امتداد یک خط مستقیم خاص قرار می گیرد. سپس میدان الکتریکی در مجاورت بار شروع به تغییر دوره ای می کند. دوره این تغییرات بدیهی است که برابر با دوره نوسانات بار خواهد بود. یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی متناوب در حال تغییر ایجاد می کند و دومی به نوبه خود باعث ظاهر شدن یک میدان الکتریکی متناوب در فاصله بیشتر از بار و غیره می شود.

در هر نقطه از فضا، میدان های الکتریکی و مغناطیسی به طور متناوب در زمان تغییر می کنند. هر چه نقطه ای از بار دورتر باشد، نوسانات میدان دیرتر به آن می رسد. در نتیجه، در فواصل مختلف از بار، نوسانات با فازهای مختلف رخ می دهد.

جهت بردارهای نوسانی قدرت میدان الکتریکی و القای میدان مغناطیسی عمود بر جهت انتشار موج است.

یک موج الکترومغناطیسی عرضی است.

امواج الکترومغناطیسی از بارهای نوسانی ساطع می شوند. مهم است که سرعت حرکت چنین بارهایی با زمان تغییر کند، یعنی با شتاب حرکت کنند. وجود شتاب شرط اصلی برای انتشار امواج الکترومغناطیسی است. میدان الکترومغناطیسی نه تنها زمانی که بار نوسان می کند، بلکه در طول هر تغییر سریع در سرعت آن نیز به شکل قابل توجهی منتشر می شود. هرچه شتابی که بار با آن حرکت می کند بیشتر باشد، شدت موج ساطع شده بیشتر می شود.

ماکسول عمیقاً به واقعیت امواج الکترومغناطیسی متقاعد شده بود. اما او زنده نماند تا کشف آزمایشی آنها را ببیند. تنها 10 سال پس از مرگ او، امواج الکترومغناطیسی به طور تجربی توسط هرتز به دست آمد.

اثبات تجربی وجود

امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی بر خلاف امواج مکانیکی قابل مشاهده نیستند، اما پس از آن چگونه کشف شدند؟ برای پاسخ به این سوال، آزمایش های هرتز را در نظر بگیرید.

یک موج الکترومغناطیسی به دلیل اتصال متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی متناوب تشکیل می شود. تغییر یک فیلد باعث نمایان شدن فیلد دیگری می شود. همانطور که مشخص است، هرچه القای مغناطیسی سریعتر در طول زمان تغییر کند، شدت میدان الکتریکی حاصل بیشتر می شود. و به نوبه خود، هر چه شدت میدان الکتریکی سریعتر تغییر کند، القای مغناطیسی بیشتر است.

برای تولید امواج الکترومغناطیسی شدید، ایجاد نوسانات الکترومغناطیسی با فرکانس کافی ضروری است.

نوسانات فرکانس بالا را می توان با استفاده از یک مدار نوسانی به دست آورد. فرکانس نوسان 1/√ LC است. از اینجا می توان دریافت که هر چه اندوکتانس و ظرفیت مدار کوچکتر باشد، بیشتر خواهد بود.

G. Hertz برای تولید امواج الکترومغناطیسی از یک دستگاه ساده استفاده کرد که امروزه ویبراتور هرتز نامیده می شود.

این دستگاه یک مدار نوسانی باز است.

اگر بتدریج صفحات خازن را از هم جدا کرده و مساحت آنها را کاهش دهید و در عین حال تعداد دور سیم پیچ را کاهش دهید، می توانید از مدار بسته به مدار باز بروید. در پایان فقط یک سیم مستقیم خواهد بود. این یک مدار نوسانی باز است. ظرفیت و اندوکتانس ویبراتور هرتز کوچک است. بنابراین فرکانس نوسان بسیار زیاد است.

در یک مدار باز، بارها در انتها متمرکز نمی شوند، بلکه در سراسر هادی توزیع می شوند. جریان در یک لحظه معین از زمان در تمام بخش های هادی در یک جهت هدایت می شود، اما قدرت جریان در بخش های مختلف هادی یکسان نیست. در انتها صفر است و در وسط به حداکثر می رسد (در مدارهای جریان متناوب معمولی، قدرت جریان در تمام بخش ها در یک لحظه معین از زمان یکسان است.) میدان الکترومغناطیسی کل فضای نزدیک مدار را نیز پوشش می دهد. .

هرتز امواج الکترومغناطیسی را با تحریک یک سری پالس با جریان متناوب سریع در یک ویبراتور با استفاده از یک منبع ولتاژ بالا دریافت کرد. نوسانات بارهای الکتریکی در یک ویبراتور یک موج الکترومغناطیسی ایجاد می کند. فقط نوسانات در ویبراتور نه توسط یک ذره باردار، بلکه توسط تعداد زیادی الکترون که به طور هماهنگ حرکت می کنند انجام می شود. در موج الکترومغناطیسی بردارهای E و B بر یکدیگر عمود هستند. بردار E در صفحه ای است که از ویبراتور می گذرد و بردار B بر این صفحه عمود است. امواج با حداکثر شدت در جهت عمود بر محور ویبراتور ساطع می شوند. هیچ تشعشعی در طول محور رخ نمی دهد.

امواج الکترومغناطیسی توسط هرتز با استفاده از یک ویبراتور گیرنده (رزوناتور) که همان دستگاه ویبراتور ساطع کننده است، ثبت شد. تحت تأثیر میدان الکتریکی متناوب یک موج الکترومغناطیسی، نوسانات جریان در ویبراتور گیرنده برانگیخته می شود. اگر فرکانس طبیعی ویبراتور گیرنده با فرکانس موج الکترومغناطیسی منطبق باشد، تشدید مشاهده می شود. نوسانات در تشدید کننده زمانی با دامنه بزرگی رخ می دهد که موازی با ویبراتور تابشی قرار گیرد. هرتز این ارتعاشات را با مشاهده جرقه ها در یک شکاف بسیار کوچک بین هادی های ویبراتور گیرنده کشف کرد. هرتز نه تنها امواج الکترومغناطیسی را دریافت کرد، بلکه کشف کرد که آنها مانند انواع دیگر امواج رفتار می کنند.

با محاسبه فرکانس طبیعی نوسانات الکترومغناطیسی ویبراتور. هرتز با استفاده از فرمول c = λ v توانست سرعت موج الکترومغناطیسی را تعیین کند . معلوم شد که تقریباً برابر با سرعت نور است: c = 300000 کیلومتر بر ثانیه. آزمایش های هرتز به طرز درخشانی پیش بینی های ماکسول را تایید کرد.

چگالی شار تابش الکترومغناطیسی

حال به بررسی خواص و ویژگی های امواج الکترومغناطیسی می پردازیم. یکی از ویژگی های امواج الکترومغناطیسی چگالی تابش الکترومغناطیسی است.

سطحی به مساحت S را در نظر بگیرید که امواج الکترومغناطیسی انرژی را از طریق آن منتقل می کنند.

چگالی شار تابش الکترومغناطیسی I نسبت انرژی الکترومغناطیسی W است که در طول زمان t از سطحی به مساحت S عمود بر پرتوها می گذرد به حاصل ضرب ناحیه S و زمان t.

چگالی شار تابش در SI بر حسب وات بر متر مربع (W/m2) بیان می شود. این کمیت گاهی اوقات شدت موج نامیده می شود.

پس از یک سری تبدیل، به دست می آوریم که I = w c.

یعنی چگالی شار تابش برابر با حاصل ضرب چگالی انرژی الکترومغناطیسی و سرعت انتشار آن است.

ما بیش از یک بار با ایده آل سازی منابع واقعی پذیرش در فیزیک مواجه شده ایم: یک نقطه مادی، یک گاز ایده آل و غیره.

یک منبع تشعشع در صورتی نقطه مانند در نظر گرفته می شود که ابعاد آن بسیار کوچکتر از فاصله ای باشد که اثر آن در آن ارزیابی می شود. علاوه بر این، فرض بر این است که چنین منبعی امواج الکترومغناطیسی را در تمام جهات با شدت یکسان ارسال می کند.

اجازه دهید وابستگی چگالی شار تابش را به فاصله تا منبع در نظر بگیریم.

انرژی حمل شده توسط امواج الکترومغناطیسی در طول زمان در سطح بزرگتر و بزرگتری توزیع می شود. بنابراین، انرژی منتقل شده از طریق واحد سطح در واحد زمان، یعنی چگالی شار تابش، با فاصله از منبع کاهش می یابد. می توانید با قرار دادن یک منبع نقطه ای در مرکز یک کره با شعاع، به وابستگی چگالی شار تابش به فاصله تا منبع پی ببرید. آر. سطح کره S= 4 n R^2. اگر فرض کنیم که منبع انرژی W را در تمام جهات در طول زمان t منتشر می کند

چگالی شار تابش از یک منبع نقطه ای به نسبت معکوس با مجذور فاصله تا منبع کاهش می یابد.

اکنون وابستگی چگالی شار تابش به فرکانس را در نظر بگیرید. همانطور که مشخص است، انتشار امواج الکترومغناطیسی در طول حرکت شتاب دهنده ذرات باردار رخ می دهد. شدت میدان الکتریکی و القای مغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی با شتاب آن متناسب است آتابش ذرات شتاب در حین ارتعاشات هارمونیک متناسب با مجذور فرکانس است. بنابراین، شدت میدان الکتریکی و القای مغناطیسی با مجذور فرکانس متناسب است

چگالی انرژی میدان الکتریکی با مجذور شدت میدان متناسب است. انرژی میدان مغناطیسی با مربع القای مغناطیسی متناسب است. چگالی انرژی کل میدان الکترومغناطیسی برابر است با مجموع چگالی انرژی میدان های الکتریکی و مغناطیسی. بنابراین، چگالی شار تابش متناسب با: (E^2+B^2) است. از اینجا دریافتیم که I با w^4 متناسب است.

چگالی شار تابش متناسب با توان چهارم فرکانس است.

اختراع رادیو

آزمایش‌های هرتز فیزیکدانان سراسر جهان را به خود جلب کرد. دانشمندان شروع به جستجوی راه هایی برای بهبود ساطع کننده و گیرنده امواج الکترومغناطیسی کردند. در روسیه، الکساندر استپانوویچ پوپوف، معلم دوره های افسری در کرونشتات، یکی از اولین کسانی بود که امواج الکترومغناطیسی را مطالعه کرد.

A. S. Popov از یک منسجم به عنوان بخشی استفاده کرد که مستقیماً امواج الکترومغناطیسی را "حس" می کند. این دستگاه یک لوله شیشه ای با دو الکترود است. لوله حاوی براده های فلزی کوچک است. عملکرد دستگاه بر اساس تأثیر تخلیه های الکتریکی بر روی پودرهای فلزی است. در شرایط عادی، منسجم از مقاومت بالایی برخوردار است زیرا خاک اره تماس ضعیفی با یکدیگر دارد. موج الکترومغناطیسی ورودی یک جریان متناوب با فرکانس بالا در منسجم ایجاد می کند. کوچکترین جرقه ها بین خاک اره می پرند که خاک اره را متخلخل می کند. در نتیجه، مقاومت منسجم به شدت کاهش می یابد (در آزمایشات A.S. Popov از 100000 به 1000-500 Ohms، یعنی 100-200 بار). با تکان دادن دستگاه می توانید دوباره آن را به مقاومت بالا برگردانید. برای اطمینان از دریافت خودکار لازم برای ارتباطات بی سیم، A. S. Popov از یک دستگاه زنگ استفاده کرد تا پس از دریافت سیگنال، منسجم را تکان دهد. مدار زنگ الکتریکی با استفاده از یک رله حساس در لحظه ورود موج الکترومغناطیسی بسته شد. با پایان دریافت موج، عملکرد زنگ بلافاصله متوقف شد، زیرا چکش زنگ نه تنها به فنجان زنگ، بلکه به منسجم نیز برخورد کرد. با آخرین تکان منسجم، دستگاه آماده دریافت موج جدید شد.

برای افزایش حساسیت دستگاه، A. S. Popov یکی از پایانه های همدوس را به زمین متصل کرد و دیگری را به یک قطعه سیم بسیار برجسته متصل کرد و اولین آنتن گیرنده برای ارتباط بی سیم را ایجاد کرد. زمین، سطح رسانای زمین را به بخشی از یک مدار نوسانی باز تبدیل می‌کند که دامنه دریافت را افزایش می‌دهد.

اگرچه گیرنده های رادیویی مدرن شباهت بسیار کمی به گیرنده A. S. Popov دارند، اصول اولیه عملکرد آنها مانند دستگاه او است. یک گیرنده مدرن همچنین دارای یک آنتن است که در آن موج ورودی نوسانات الکترومغناطیسی بسیار ضعیفی ایجاد می کند. همانطور که در گیرنده A. S. Popov، انرژی این نوسانات به طور مستقیم برای دریافت استفاده نمی شود. سیگنال های ضعیف فقط منابع انرژی را کنترل می کنند که مدارهای بعدی را تغذیه می کنند. امروزه چنین کنترلی با استفاده از دستگاه های نیمه هادی انجام می شود.

در 7 مه 1895، در جلسه انجمن فیزیک-شیمیایی روسیه در سن پترزبورگ، A. S. Popov عملکرد دستگاه خود را که در واقع اولین گیرنده رادیویی جهان بود به نمایش گذاشت. هفتم اردیبهشت ماه تولد رادیو شد.

خواص امواج الکترومغناطیسی

دستگاه های مهندسی رادیویی مدرن انجام آزمایش های بسیار بصری برای مشاهده خواص امواج الکترومغناطیسی را ممکن می سازد. در این حالت بهتر است از امواج سانتی متری استفاده کنید. این امواج توسط یک ژنراتور با فرکانس فوق العاده بالا (مایکروویو) ساطع می شوند. نوسانات الکتریکی ژنراتور توسط فرکانس صدا مدوله می شود. سیگنال دریافتی پس از شناسایی به بلندگو ارسال می شود.

من انجام همه آزمایش ها را توصیف نمی کنم، اما روی موارد اصلی تمرکز خواهم کرد.

1. دی الکتریک ها قادر به جذب امواج الکترومغناطیسی هستند.

2. برخی از مواد (مثلاً فلز) قادر به جذب امواج الکترومغناطیسی هستند.

3. امواج الکترومغناطیسی قادر به تغییر جهت خود در مرز دی الکتریک هستند.

4. امواج الکترومغناطیسی امواج عرضی هستند. این بدان معناست که بردارهای E و B میدان الکترومغناطیسی موج بر جهت انتشار آن عمود هستند.

مدولاسیون و تشخیص

مدتی از اختراع رادیو توسط پوپوف می گذرد، زمانی که مردم می خواستند به جای سیگنال های تلگراف متشکل از سیگنال های کوتاه و بلند، گفتار و موسیقی را مخابره کنند. اینگونه بود که ارتباطات رادیویی اختراع شد. بیایید اصول اولیه نحوه عملکرد چنین اتصالی را در نظر بگیریم.

در ارتباطات رادیویی تلفن، نوسانات فشار هوا در یک موج صوتی توسط یک میکروفون به ارتعاشات الکتریکی به همان شکل تبدیل می شود. به نظر می رسد که اگر این ارتعاشات تقویت شده و به یک آنتن وارد شود، می توان گفتار و موسیقی را از راه دور با استفاده از امواج الکترومغناطیسی منتقل کرد. با این حال، در واقعیت، این روش انتقال امکان پذیر نیست. واقعیت این است که ارتعاشات صوتی فرکانس جدید ارتعاشات نسبتاً آهسته ای هستند و امواج الکترومغناطیسی فرکانس های پایین (صدا) تقریباً اصلاً منتشر نمی شوند. برای غلبه بر این مانع، مدولاسیون توسعه داده شد و تشخیص به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.

مدولاسیون. برای انجام ارتباط تلفنی رادیویی، لازم است از نوسانات با فرکانس بالا که به شدت توسط آنتن ساطع می شود، استفاده شود. نوسانات هارمونیک بدون میرایی فرکانس بالا توسط یک ژنراتور تولید می شود، به عنوان مثال یک ژنراتور ترانزیستوری.

برای انتقال صدا، این ارتعاشات فرکانس بالا با استفاده از ارتعاشات الکتریکی با فرکانس پایین (صدا) تغییر می کنند یا به قول خودشان مدوله می شوند. به عنوان مثال، می توان دامنه نوسانات فرکانس بالا را با فرکانس صدا تغییر داد. این روش مدولاسیون دامنه نامیده می شود.

نموداری از نوسانات فرکانس بالا که فرکانس حامل نامیده می شود.

ب) نموداری از نوسانات فرکانس صوتی، یعنی نوسانات تعدیل کننده؛

ج) نمودار نوسانات مدوله شده با دامنه.

بدون مدولاسیون، در بهترین حالت می‌توانیم کارکرد یا بی‌صدا بودن ایستگاه را کنترل کنیم. بدون مدولاسیون، انتقال تلگراف، تلفن یا تلویزیون وجود ندارد.

مدولاسیون دامنه نوسانات فرکانس بالا با عمل ویژه بر روی مولد نوسانات پیوسته به دست می آید. به طور خاص، مدولاسیون را می توان با تغییر ولتاژ تولید شده توسط منبع در مدار نوسانی انجام داد. هر چه ولتاژ روی مدار ژنراتور بیشتر باشد، انرژی بیشتری در هر دوره از منبع به مدار جریان می یابد. این منجر به افزایش دامنه نوسانات در مدار می شود. با کاهش ولتاژ، انرژی ورودی به مدار نیز کاهش می یابد. بنابراین دامنه نوسانات در مدار کاهش می یابد.

در ساده ترین دستگاه برای اجرای مدولاسیون دامنه، یک منبع اضافی از ولتاژ متناوب فرکانس پایین به صورت سری با یک منبع ولتاژ ثابت متصل می شود. این منبع می تواند برای مثال سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور باشد اگر جریان فرکانس صوتی از سیم پیچ اولیه آن عبور کند. در نتیجه، دامنه نوسانات در مدار نوسانی ژنراتور به مرور زمان با تغییرات ولتاژ روی ترانزیستور تغییر می کند. این بدان معنی است که نوسانات فرکانس بالا در دامنه توسط یک سیگنال فرکانس پایین مدوله می شوند.

علاوه بر مدولاسیون دامنه، در برخی موارد از مدولاسیون فرکانس استفاده می شود - تغییر فرکانس نوسان مطابق با سیگنال کنترل. مزیت آن مقاومت بیشتر در برابر تداخل است.

تشخیص. در گیرنده، نوسانات فرکانس پایین از نوسانات فرکانس بالا مدوله شده جدا می شوند. این فرآیند تبدیل سیگنال، تشخیص نامیده می شود.

سیگنال به دست آمده در نتیجه تشخیص مربوط به سیگنال صوتی است که روی میکروفون فرستنده عمل می کند. پس از تقویت، ارتعاشات فرکانس پایین می توانند به صدا تبدیل شوند.

سیگنال فرکانس بالا مدوله شده دریافت شده توسط گیرنده، حتی پس از تقویت، قادر به ایجاد لرزش مستقیم در غشای تلفن یا بوق بلندگو با فرکانس صوتی نیست. فقط می تواند باعث ایجاد ارتعاشات با فرکانس بالا شود که توسط گوش ما درک نمی شود. بنابراین، در گیرنده ابتدا لازم است سیگنال فرکانس صوتی را از نوسانات مدوله شده با فرکانس بالا جدا کنید.

تشخیص توسط یک دستگاه حاوی عنصری با رسانایی یک طرفه - یک آشکارساز انجام می شود. چنین عنصری می تواند یک لوله الکترونی (دیود خلاء) یا یک دیود نیمه هادی باشد.

بیایید عملکرد یک آشکارساز نیمه هادی را در نظر بگیریم. اجازه دهید این دستگاه به صورت سری با منبع نوسانات مدوله شده و بار متصل شود. جریان در مدار عمدتاً در یک جهت جریان خواهد داشت.

جریان ضربانی در مدار جریان خواهد داشت. این جریان موج دار با استفاده از یک فیلتر صاف می شود. ساده ترین فیلتر خازن متصل به بار است.

فیلتر به این صورت عمل می کند. در آن لحظاتی از زمان که دیود جریان را می گذراند، بخشی از آن از بار عبور می کند و قسمت دیگر به خازن منشعب می شود و آن را شارژ می کند. هواکش جریان جریان ریپلی که از بار عبور می کند را کاهش می دهد. اما در فاصله بین پالس ها، زمانی که دیود بسته می شود، خازن تا حدی از طریق بار تخلیه می شود.

بنابراین در فاصله بین پالس ها جریان در یک جهت از بار عبور می کند. هر پالس جدید خازن را شارژ می کند. در نتیجه یک جریان فرکانس صوتی از طریق بار عبور می کند که شکل موج آن تقریباً دقیقاً شکل سیگنال فرکانس پایین را در ایستگاه فرستنده بازتولید می کند.

انواع امواج رادیویی و توزیع آنها

قبلاً خواص اساسی امواج الکترومغناطیسی، کاربرد آنها در رادیو و تشکیل امواج رادیویی را بررسی کرده ایم. حال با انواع امواج رادیویی و انتشار آنها آشنا می شویم.

شکل و خواص فیزیکی سطح زمین و همچنین وضعیت جو بر انتشار امواج رادیویی تأثیر زیادی دارد.

لایه‌های گاز یونیزه شده در قسمت‌های بالایی جو در ارتفاع 100 تا 300 کیلومتری از سطح زمین تأثیر ویژه‌ای بر انتشار امواج رادیویی دارند. به این لایه ها یونوسفر می گویند. یونیزه شدن هوا در لایه های بالایی جو در اثر تابش الکترومغناطیسی خورشید و جریان ذرات باردار ساطع شده از آن ایجاد می شود.

یونوسفر با رسانش جریان الکتریکی، امواج رادیویی با طول موج‌های بیش از 10 متر را مانند یک صفحه فلزی معمولی منعکس می‌کند. اما توانایی یونوسفر در انعکاس و جذب امواج رادیویی بسته به زمان روز و فصول به طور قابل توجهی متفاوت است.

به دلیل انعکاس امواج از یونوسفر و توانایی امواج رادیویی برای خم شدن در اطراف سطح محدب زمین، ارتباط رادیویی پایدار بین نقاط دور از سطح زمین، فراتر از خط دید، امکان پذیر است. هر چه طول موج بلندتر باشد این خمش بیشتر است. بنابراین، ارتباط رادیویی در فواصل طولانی به دلیل خم شدن امواج به دور زمین، تنها با طول موج های بیش از 100 متر امکان پذیر است. امواج متوسط ​​و بلند)

امواج کوتاه(محدوده طول موج از 10 تا 100 متر) تنها به دلیل بازتاب های متعدد از یونوسفر و سطح زمین در فواصل طولانی منتشر می شود. با کمک امواج کوتاه است که می توان ارتباط رادیویی را در هر فاصله ای بین ایستگاه های رادیویی روی زمین انجام داد.

امواج رادیویی فوق کوتاه (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.

حال بیایید به یکی دیگر از کاربردهای امواج رادیویی نگاه کنیم. این رادار است.

تشخیص و مکان یابی دقیق اجسام با استفاده از امواج رادیویی نامیده می شود رادارنصب رادار - رادار(یا رادار) - متشکل از قطعات ارسال کننده و دریافت کننده است. رادار از نوسانات الکتریکی با فرکانس فوق العاده بالا استفاده می کند. یک ژنراتور مایکروویو قدرتمند به یک آنتن متصل است که موجی بسیار جهت دار ساطع می کند. جهت تیز تابش به دلیل اضافه شدن امواج به دست می آید. طراحی آنتن به گونه ای است که امواج ارسال شده توسط هر یک از ویبراتورها، در صورت اضافه شدن، تنها در جهت معینی یکدیگر را تقویت می کنند. در جهات دیگر، هنگامی که امواج اضافه می شوند، لغو کامل یا جزئی متقابل آنها رخ می دهد.

موج بازتاب شده توسط همان آنتن ساطع کننده یا آنتن دیگر دریافت می‌شود که بسیار جهت‌دار است.

برای تعیین فاصله تا هدف از حالت تابش پالسی استفاده می شود. فرستنده امواج را در فواصل کوتاه ساطع می کند. مدت زمان هر پالس میلیونیم ثانیه است و فاصله بین پالس ها تقریباً 1000 برابر بیشتر است. در طول مکث، امواج منعکس شده دریافت می شود.

فاصله با اندازه گیری کل زمان سفر امواج رادیویی به هدف و برگشت تعیین می شود. از آنجایی که سرعت امواج رادیویی c=3*108m/s در اتمسفر تقریباً ثابت است، پس R=ct/2.

برای ثبت سیگنال های ارسالی و منعکس شده از یک لوله اشعه کاتدی استفاده می شود.

از امواج رادیویی نه تنها برای انتقال صدا، بلکه برای انتقال تصاویر (تلویزیون) نیز استفاده می شود.

اصل انتقال تصاویر از راه دور به شرح زیر است. در ایستگاه فرستنده، تصویر به دنباله ای از سیگنال های الکتریکی تبدیل می شود. سپس این سیگنال ها توسط نوسانات تولید شده توسط یک ژنراتور فرکانس بالا مدوله می شوند. یک موج الکترومغناطیسی مدوله شده اطلاعات را در فواصل طولانی حمل می کند. تبدیل معکوس در گیرنده انجام می شود. نوسانات مدوله شده با فرکانس بالا شناسایی شده و سیگنال حاصل به یک تصویر قابل مشاهده تبدیل می شود. برای انتقال حرکت، آنها از اصل سینما استفاده می کنند: تصاویر کمی متفاوت از یک جسم متحرک (قاب) ده ها بار در ثانیه (در تلویزیون ما 50 بار) ارسال می شود.

تصویر فریم با استفاده از یک لوله الکترونی خلاء فرستنده - یک آیکونوسکوپ - به یک سری سیگنال های الکتریکی تبدیل می شود. علاوه بر آیکنوسکوپ، دستگاه های انتقال دهنده دیگری نیز وجود دارد. در داخل آیکونوسکوپ یک صفحه موزاییکی وجود دارد که با استفاده از یک سیستم نوری تصویری از شیء نمایش داده می شود. هر سلول موزاییکی باردار است و بار آن به شدت تابش نور به سلول بستگی دارد. این بار زمانی تغییر می کند که یک پرتو الکترونی تولید شده توسط تفنگ الکترونی به سلول برخورد کند. پرتو الکترونی به طور متوالی به تمام عناصر یک خط موزاییک، سپس خط دیگر و غیره برخورد می کند (در مجموع 625 خط).

جریان در مقاومت به میزان تغییر شارژ سلول بستگی دارد. آر. بنابراین، ولتاژ دو سر مقاومت متناسب با تغییر روشنایی در امتداد خطوط قاب تغییر می کند.

همان سیگنال پس از تشخیص در گیرنده تلویزیون دریافت می شود. این سیگنال ویدیوییاین به یک تصویر قابل مشاهده بر روی صفحه نمایش لوله الکترون خلاء دریافت کننده تبدیل می شود - کینسکوپ

سیگنال های رادیویی تلویزیون فقط در محدوده موج فوق کوتاه (متر) قابل انتقال هستند.

کتابشناسی - فهرست کتب.

1. Myakishev G.Ya. ، بوخوفتسف B.B. فیزیک - 11. M. 1993.

2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. دوره فیزیک. برق. M. 1970

3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. مبانی فیزیک. جلد 2. M. 1981

مفاهیم کلی در مورد امواج الکترومغناطیسی

در درس امروز یک موضوع ضروری مانند امواج الکترومغناطیسی را در نظر خواهیم گرفت. و این موضوع مهم است، اگر فقط به این دلیل که کل زندگی مدرن ما با تلویزیون، پخش رادیو و ارتباطات سیار مرتبط است. بنابراین، شایان ذکر است که همه اینها به دلیل امواج الکترومغناطیسی انجام می شود.

حال بیایید به بررسی دقیق‌تر موضوع مربوط به امواج الکترومغناطیسی بپردازیم و ابتدا به تعریف این امواج می‌پردازیم.

همانطور که می دانید موج اختلالی است که در فضا منتشر می شود، یعنی اگر در جایی اختلالی رخ داده باشد و در همه جهات پخش شود، می توان گفت که گسترش این اختلال چیزی بیش از یک پدیده موجی نیست.

امواج الکترومغناطیسی نوسانات الکترومغناطیسی هستند که با سرعت محدودی در فضا منتشر می شوند که به خواص محیط بستگی دارد. به عبارت دیگر می توان گفت که موج الکترومغناطیسی یک میدان الکترومغناطیسی یا اختلال الکترومغناطیسی است که در فضا منتشر می شود.

بیایید بحث خود را با این واقعیت شروع کنیم که نظریه امواج الکترومغناطیسی میدان الکترومغناطیسی اولین بار توسط دانشمند انگلیسی جیمز ماکسول ایجاد شد. جالب ترین و کنجکاوترین چیز در مورد این کار این است که معلوم می شود میدان های الکتریکی و مغناطیسی همانطور که می دانید و از آنجایی که وجود آنها با هم ثابت شده است. اما معلوم می شود که آنها می توانند به طور کامل در غیاب هر ماده ای وجود داشته باشند. این نتیجه گیری بسیار مهم در آثار جیمز کلرک ماکسول انجام شد.

معلوم می شود که میدان الکترومغناطیسی می تواند حتی در جایی که هیچ ماده ای وجود نداشته باشد وجود داشته باشد. ما به شما گفتیم که امواج صوتی فقط در جایی وجود دارند که یک رسانه وجود داشته باشد. یعنی ارتعاشاتی که با ذرات ایجاد می شود فقط در جایی که ذرات توانایی انتقال این اختلال را دارند، قابلیت انتقال را دارند.

اما در مورد میدان الکترومغناطیسی، می تواند در جایی وجود داشته باشد که هیچ ماده ای وجود نداشته باشد و ذره ای وجود نداشته باشد. و بنابراین، میدان الکترومغناطیسی در خلاء وجود دارد، به این معنی که اگر شرایط خاصی ایجاد کنیم و بتوانیم، همانطور که بود، یک اختلال الکترومغناطیسی عمومی در فضا ایجاد کنیم، بر این اساس این اختلال قابلیت انتشار در همه جهات را دارد. و این دقیقا همان چیزی است که ما یک موج الکترومغناطیسی خواهیم داشت.

اولین کسی که توانست موج الکترومغناطیسی ساطع کند و موج الکترومغناطیسی دریافت کند دانشمند آلمانی هاینریش هرتز بود. او اولین کسی بود که چنین تاسیساتی را برای تابش و دریافت امواج الکترومغناطیسی ایجاد کرد.

اولین چیزی که باید در اینجا بگوییم این است که برای انتشار یک موج الکترومغناطیسی به یک بار الکتریکی با حرکت نسبتاً سریع نیاز داریم. ما باید وسیله ای بسازیم که در آن بار الکتریکی با حرکت بسیار سریع یا شتاب دار وجود داشته باشد.

هاینریش هرتز با کمک آزمایشات خود ثابت کرد که برای به دست آوردن یک موج الکترومغناطیسی قدرتمند و کاملاً محسوس، یک بار الکتریکی متحرک باید با فرکانس بسیار بالا، یعنی در حد چند ده هزار هرتز، نوسان کند. همچنین باید تاکید کرد که اگر چنین نوسانی در بار اتفاق بیفتد، یک میدان الکترومغناطیسی متناوب در اطراف آن ایجاد می‌شود و در همه جهات پخش می‌شود. یعنی این یک موج الکترومغناطیسی خواهد بود.

خواص امواج الکترومغناطیسی

همچنین لازم به ذکر است که موج الکترومغناطیسی، البته، دارای خواص خاصی است و این ویژگی ها دقیقاً در آثار ماکسول نشان داده شده است.

همچنین لازم به ذکر است که خواص امواج الکترومغناطیسی دارای تفاوت های خاصی است و همچنین بسیار به طول آن بستگی دارد. بسته به خواص و طول موج، امواج الکترومغناطیسی به محدوده تقسیم می شوند. آنها مقیاس نسبتاً دلخواه دارند، زیرا محدوده های مجاور تمایل به همپوشانی با یکدیگر دارند.

همچنین دانستن این نکته مفید است که برخی از مناطق دارای خواص مشترک هستند. این خواص عبارتند از:

قابلیت نفوذ؛
سرعت بالای انتشار در ماده؛
تأثیر مثبت و منفی بر بدن انسان و غیره.

انواع امواج الکترومغناطیسی شامل امواج رادیویی، محدوده فرابنفش و مادون قرمز، نور مرئی و همچنین اشعه ایکس، تابش گاما و غیره است.

حالا بیایید به دقت به جدول زیر نگاه کنیم و با جزئیات بیشتری مطالعه کنیم که چگونه امواج الکترومغناطیسی را می توان طبقه بندی کرد، چه نوع تابشی وجود دارد، منابع تابش و همچنین فرکانس آنها:

حقایق جالب در مورد امواج الکترومغناطیسی

احتمالاً بر کسی پوشیده نخواهد بود که فضایی که ما را احاطه کرده است با تابش الکترومغناطیسی نفوذ کرده است. چنین تشعشعی نه تنها با آنتن های تلفن و رادیو، بلکه با اجسام اطراف ما، زمین، خورشید و ستارگان مرتبط است. بسته به فرکانس نوسان، امواج الکترومغناطیسی ممکن است نام های مختلفی داشته باشند، اما ماهیت آنها مشابه است. چنین امواج الکترومغناطیسی شامل امواج رادیویی، تابش مادون قرمز، نور مرئی، اشعه ایکس و همچنین پرتوهای بیوفیلد است.

چنین منبع بی حد و حصر انرژی مانند یک میدان الکترومغناطیسی باعث نوسانات در بارهای الکتریکی اتم ها و مولکول ها می شود. از این نتیجه می شود که هنگام نوسان، بار با شتاب حرکت می کند و در عین حال امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند.

تاثیر امواج الکترومغناطیسی بر سلامت انسان

سال‌هاست که دانشمندان نگران مشکل تأثیر میدان‌های الکترومغناطیسی بر سلامت انسان‌ها، حیوانات و گیاهان بوده‌اند و به همین دلیل زمان زیادی را به تحقیق و بررسی این مشکل اختصاص می‌دهند.

احتمالاً هر یک از شما به دیسکو رفته اید و متوجه شده اید که تحت تأثیر لامپ های فرابنفش، لباس های رنگ روشن شروع به درخشش کردند. این نوع تابش خطری برای موجودات زنده ندارد.

اما هنگام بازدید از سولاریوم یا استفاده از لامپ های فرابنفش برای اهداف پزشکی، استفاده از محافظ چشم ضروری است، زیرا چنین قرار گرفتن در معرض می تواند باعث از دست دادن کوتاه مدت بینایی شود.

همچنین هنگام استفاده از لامپ های ضد باکتری اشعه ماوراء بنفش که برای ضدعفونی کردن محل استفاده می شود، باید بسیار مراقب باشید و هنگام استفاده از آنها باید اتاق را ترک کنید، زیرا این لامپ ها روی پوست انسان و همچنین گیاهان تأثیر منفی می گذارند و باعث سوختگی برگ می شوند.

اما بدن انسان علاوه بر منابع تابش و وسایل مختلف اطراف ما، میدان های الکتریکی و مغناطیسی خاص خود را نیز دارد. اما باید این را هم بدانید که در بدن انسان، در طول زندگی اش، میدان های الکترومغناطیسی به طور مداوم تغییر می کنند.

برای تعیین میدان الکترومغناطیسی یک فرد، از دستگاه دقیقی مانند انسفالوگرافی استفاده می شود. با استفاده از این دستگاه می توان میدان الکترومغناطیسی فرد را به دقت اندازه گیری کرد و فعالیت آن را در قشر مغز تعیین کرد. به لطف ظهور دستگاهی مانند انسفالوگراف، تشخیص بیماری های مختلف حتی در مراحل اولیه ممکن شد.

امواج الکترومغناطیسی (جدول آنها در زیر آورده خواهد شد) اختلالات میدان های مغناطیسی و الکتریکی توزیع شده در فضا هستند. انواع مختلفی از آنها وجود دارد. فیزیک این اختلالات را مطالعه می کند. امواج الکترومغناطیسی به دلیل این واقعیت است که یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که به نوبه خود یک میدان الکتریکی ایجاد می کند.

تاریخچه تحقیق

اولین نظریه ها، که می توان آنها را قدیمی ترین نسخه فرضیه ها در مورد امواج الکترومغناطیسی دانست، حداقل به زمان هویگنس باز می گردد. در طی آن دوره، مفروضات به توسعه کمی مشخصی رسیدند. هویگنس در سال 1678 نوعی "طرح" از نظریه - "رساله نور" را منتشر کرد. او در سال 1690 اثر قابل توجه دیگری را منتشر کرد. این تئوری کیفی بازتاب و انکسار را به شکلی که امروزه هنوز در کتاب‌های درسی مدرسه ارائه می‌شود ("امواج الکترومغناطیسی"، کلاس نهم) تشریح کرد.

در همان زمان اصل هویگنس تدوین شد. با کمک آن، مطالعه حرکت جبهه موج ممکن شد. این اصل متعاقباً در آثار فرنل توسعه یافت. اصل هویگنز-فرنل در تئوری پراش و تئوری موج نور اهمیت ویژه ای داشت.

در دهه‌های 1660-1670، هوک و نیوتن کمک‌های تجربی و نظری عمده‌ای به پژوهش کردند. چه کسی امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد؟ چه کسی آزمایش هایی را برای اثبات وجود آنها انجام داد؟ چه نوع امواج الکترومغناطیسی وجود دارد؟ بیشتر در این مورد بعدا.

منطق ماکسول

قبل از صحبت در مورد اینکه چه کسی امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد، باید گفت که اولین دانشمندی که به طور کلی وجود آنها را پیش بینی کرد، فارادی بود. او فرضیه خود را در سال 1832 مطرح کرد. ماکسول متعاقباً بر روی ساخت این نظریه کار کرد. در سال 1865 او این کار را به پایان رساند. در نتیجه، ماکسول به شدت این نظریه را به صورت ریاضی فرموله کرد و وجود پدیده های مورد بررسی را توجیه کرد. او همچنین سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی را تعیین کرد که همزمان با مقدار استفاده شده از سرعت نور بود. این به نوبه خود به او اجازه داد تا این فرضیه را اثبات کند که نور یکی از انواع تشعشعات مورد بررسی است.

تشخیص تجربی

نظریه ماکسول در آزمایشات هرتز در سال 1888 تأیید شد. در اینجا باید گفت که فیزیکدان آلمانی با وجود توجیه ریاضی، آزمایشات خود را برای رد این نظریه انجام داد. با این حال، به لطف آزمایشات خود، هرتز اولین کسی بود که عملا امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد. علاوه بر این، دانشمند طی آزمایشات خود، خواص و ویژگی های تابش را شناسایی کرد.

هرتز نوسانات و امواج الکترومغناطیسی را با برانگیختن یک سری پالس با جریانی که به سرعت متغیر است در یک ویبراتور با استفاده از یک منبع ولتاژ بالا به دست آورد. جریان های فرکانس بالا را می توان با استفاده از یک مدار تشخیص داد. هرچه ظرفیت خازنی و اندوکتانس بیشتر باشد فرکانس نوسان بیشتر خواهد بود. اما در عین حال، فرکانس بالا جریان شدید را تضمین نمی کند. هرتز برای انجام آزمایشات خود از دستگاه نسبتاً ساده ای استفاده کرد که امروزه "ارتعاشگر هرتز" نامیده می شود. این دستگاه یک مدار نوسانی نوع باز است.

شماتیک آزمایش هرتز

ثبت تشعشعات با استفاده از ویبراتور گیرنده انجام شد. این دستگاه طراحی مشابه دستگاه انتشار داشت. تحت تأثیر یک موج الکترومغناطیسی یک میدان متناوب الکتریکی، یک نوسان جریان در دستگاه گیرنده برانگیخته شد. اگر در این دستگاه فرکانس طبیعی آن و فرکانس جریان با هم مطابقت داشته باشند، رزونانس ظاهر می شود. در نتیجه، اختلالات در دستگاه گیرنده با دامنه بیشتر رخ داده است. محقق آنها را با مشاهده جرقه های بین هادی ها در یک شکاف کوچک کشف کرد.

بنابراین، هرتز اولین کسی بود که امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد و توانایی آنها را در انعکاس خوب از هادی ها اثبات کرد. او عملاً شکل گیری تشعشعات ایستاده را اثبات کرد. علاوه بر این، هرتز سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در هوا را تعیین کرد.

مطالعه خصوصیات

امواج الکترومغناطیسی تقریباً در همه رسانه ها منتشر می شوند. در فضایی پر از ماده، تابش در برخی موارد می تواند به خوبی توزیع شود. اما در عین حال رفتار خود را تا حدودی تغییر می دهند.

امواج الکترومغناطیسی در خلاء بدون تضعیف تشخیص داده می شوند. آنها در هر فاصله ای، مهم نیست که چقدر زیاد است، توزیع می شوند. ویژگی های اصلی امواج شامل قطبش، فرکانس و طول است. خواص در چارچوب الکترودینامیک توصیف شده است. با این حال، شاخه های خاص تری از فیزیک با ویژگی های تابش در مناطق خاصی از طیف سروکار دارند. به عنوان مثال، این موارد شامل اپتیک است.

مطالعه تابش الکترومغناطیسی سخت در انتهای طیفی موج کوتاه توسط بخش انرژی بالا انجام می شود. با در نظر گرفتن ایده های مدرن، پویایی به عنوان یک رشته مستقل متوقف می شود و با یک نظریه ترکیب می شود.

نظریه های مورد استفاده در مطالعه خواص

امروزه روش های مختلفی وجود دارد که مدل سازی و مطالعه تظاهرات و ویژگی های نوسانات را تسهیل می کند. الکترودینامیک کوانتومی به عنوان اساسی ترین تئوری های آزمایش شده و تکمیل شده در نظر گرفته می شود. از آن، از طریق ساده سازی های خاص، می توان روش های ذکر شده در زیر را که به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، به دست آورد.

توصیف تابش نسبتاً کم فرکانس در یک محیط ماکروسکوپی با استفاده از الکترودینامیک کلاسیک انجام می شود. این بر اساس معادلات ماکسول است. با این حال، در برنامه های کاربردی ساده سازی وجود دارد. مطالعه نوری از اپتیک استفاده می کند. تئوری موج در مواردی استفاده می شود که برخی از قسمت های سیستم نوری از نظر اندازه نزدیک به طول موج هستند. اپتیک کوانتومی زمانی استفاده می شود که فرآیندهای پراکندگی و جذب فوتون ها قابل توجه باشد.

نظریه نوری هندسی یک مورد محدود کننده است که در آن می توان طول موج را نادیده گرفت. چندین بخش کاربردی و بنیادی نیز وجود دارد. برای مثال، اخترفیزیک، زیست شناسی ادراک بصری و فتوسنتز، و فتوشیمی از جمله این موارد است. امواج الکترومغناطیسی چگونه طبقه بندی می شوند؟ جدولی که به وضوح توزیع در گروه ها را نشان می دهد در زیر ارائه شده است.

طبقه بندی

محدوده فرکانسی امواج الکترومغناطیسی وجود دارد. هیچ انتقال شدیدی بین آنها وجود ندارد. مرزهای بین آنها کاملاً دلخواه است. با توجه به اینکه جریان به طور مداوم توزیع می شود، فرکانس به شدت به طول مربوط می شود. در زیر دامنه امواج الکترومغناطیسی آورده شده است.

تشعشعات فوق کوتاه معمولاً به میکرومتر (زیر میلی متر)، میلی متر، سانتی متر، دسی متر، متر تقسیم می شوند. اگر تابش الکترومغناطیسی کمتر از یک متر باشد، معمولاً به آن نوسان فرکانس فوق‌العاده (مایکروویو) می‌گویند.

انواع امواج الکترومغناطیسی

در بالا دامنه امواج الکترومغناطیسی وجود دارد. چه نوع جریانی وجود دارد؟ این گروه شامل گاما و اشعه ایکس است. باید گفت که هم نور ماوراء بنفش و هم نور مرئی قادر به یونیزه کردن اتم ها هستند. مرزهایی که در آن شارهای گاما و اشعه ایکس قرار دارند بسیار مشروط تعیین می شوند. به عنوان یک دستورالعمل کلی، محدودیت های 20 eV - 0.1 MeV پذیرفته شده است. شارهای گاما به معنای محدود توسط هسته منتشر می شوند، شارهای پرتو ایکس توسط پوسته اتمی الکترون در فرآیند حذف الکترون ها از مدارهای کم ارتفاع منتشر می شوند. با این حال، این طبقه بندی برای تشعشعات سخت تولید شده بدون مشارکت هسته ها و اتم ها قابل اجرا نیست.

شار پرتو ایکس زمانی تشکیل می‌شود که ذرات سریع باردار (پروتون‌ها، الکترون‌ها و دیگران) کند می‌شوند و در نتیجه فرآیندهایی که در لایه‌های الکترون اتمی رخ می‌دهند. نوسانات گاما در نتیجه فرآیندهای درون هسته اتم ها و در حین تبدیل ذرات بنیادی به وجود می آیند.

جریان های رادیویی

با توجه به ارزش زیاد طول ها، این امواج را می توان بدون در نظر گرفتن ساختار اتمی محیط در نظر گرفت. به عنوان یک استثنا، تنها کوتاه ترین جریان ها که در مجاورت ناحیه مادون قرمز طیف قرار دارند، عمل می کنند. در محدوده رادیویی، خواص کوانتومی ارتعاشات نسبتاً ضعیف ظاهر می شوند. با این وجود، به عنوان مثال، هنگام تجزیه و تحلیل استانداردهای زمان مولکولی و فرکانس در هنگام خنک کردن تجهیزات تا دمای چندین کلوین، باید آنها را در نظر گرفت.

خواص کوانتومی نیز هنگام توصیف ژنراتورها و تقویت کننده ها در محدوده میلی متر و سانتی متر در نظر گرفته می شود. جریان رادیویی در طول حرکت جریان متناوب از طریق هادی های فرکانس مربوطه تشکیل می شود. و یک موج الکترومغناطیسی عبوری در فضا موج مربوطه را تحریک می کند. از این خاصیت در طراحی آنتن در مهندسی رادیو استفاده می شود.

رشته های قابل مشاهده

اشعه مرئی فرابنفش و مادون قرمز، به معنای وسیع کلمه، به اصطلاح بخش نوری طیف را تشکیل می دهد. انتخاب این منطقه نه تنها با نزدیکی مناطق مربوطه، بلکه با شباهت ابزارهای مورد استفاده در تحقیق و توسعه در درجه اول در طول مطالعه نور مرئی تعیین می شود. اینها، به ویژه، شامل آینه ها و عدسی هایی برای تمرکز تابش، توری های پراش، منشورها و غیره هستند.

فرکانس امواج نوری با فرکانس مولکول ها و اتم ها و طول آنها با فواصل بین مولکولی و اندازه های مولکولی قابل مقایسه است. بنابراین پدیده هایی که ناشی از ساختار اتمی ماده هستند در این حوزه قابل توجه می شوند. به همین دلیل، نور در کنار خواص موجی، دارای خواص کوانتومی نیز می باشد.

ظهور جریان های نوری

معروف ترین منبع خورشید است. سطح ستاره (فتوسفر) دمای 6000 درجه کلوین دارد و نور سفید درخشانی از خود ساطع می کند. بالاترین مقدار طیف پیوسته در منطقه "سبز" - 550 نانومتر قرار دارد. این همان جایی است که حداکثر حساسیت بصری در آن قرار دارد. نوسانات در محدوده نوری زمانی رخ می دهد که اجسام گرم می شوند. بنابراین جریان های مادون قرمز را جریان های حرارتی نیز می نامند.

هرچه بدن بیشتر گرم شود، فرکانس بالاتری که حداکثر طیف در آن قرار دارد، بیشتر می شود. با افزایش معینی در دما، تابش (درخشش در محدوده مرئی) مشاهده می شود. در این حالت ابتدا رنگ قرمز و سپس زرد و ... ظاهر می شود. ایجاد و ثبت جریان های نوری می تواند در واکنش های بیولوژیکی و شیمیایی رخ دهد که یکی از آنها در عکاسی استفاده می شود. برای بیشتر موجوداتی که روی زمین زندگی می کنند، فتوسنتز به عنوان منبع انرژی عمل می کند. این واکنش بیولوژیکی در گیاهان تحت تأثیر تابش نوری خورشید رخ می دهد.

ویژگی های امواج الکترومغناطیسی

ویژگی های محیط و منبع بر ویژگی های جریان تأثیر می گذارد. این امر به ویژه وابستگی زمانی میدان ها را تعیین می کند که نوع جریان را تعیین می کند. به عنوان مثال، هنگامی که فاصله از ویبراتور تغییر می کند (با افزایش آن)، شعاع انحنا بزرگتر می شود. در نتیجه یک موج الکترومغناطیسی صفحه تشکیل می شود. تعامل با این ماده نیز به روش های مختلف رخ می دهد.

فرآیندهای جذب و انتشار شارها، به عنوان یک قاعده، می تواند با استفاده از روابط الکترودینامیک کلاسیک توصیف شود. برای امواج در ناحیه نوری و برای پرتوهای سخت، ماهیت کوانتومی آنها باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد.

منابع جریان

با وجود تفاوت فیزیکی، در همه جا - در یک ماده رادیواکتیو، یک فرستنده تلویزیونی، یک لامپ رشته ای - امواج الکترومغناطیسی توسط بارهای الکتریکی که با شتاب حرکت می کنند تحریک می شوند. دو نوع اصلی از منابع وجود دارد: میکروسکوپی و ماکروسکوپی. در مرحله اول، انتقال ناگهانی ذرات باردار از یک سطح به سطح دیگر در داخل مولکول ها یا اتم ها وجود دارد.

منابع میکروسکوپی اشعه ایکس، گاما، فرابنفش، مادون قرمز، مرئی و در برخی موارد امواج بلند منتشر می کنند. نمونه دومی، خط در طیف هیدروژن است که مربوط به طول موج 21 سانتی متر است. این پدیده در نجوم رادیویی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

منابع ماکروسکوپی ساطع کننده هایی هستند که در آنها الکترون های آزاد رساناها نوسانات همزمان دوره ای را انجام می دهند. در سیستم های این دسته جریان هایی از مقیاس میلی متری تا طولانی ترین (در خطوط برق) تولید می شود.

ساختار و قدرت جریان ها

جریان های شتاب دار و متناوب در حال تغییر با نیروهای خاصی بر یکدیگر تأثیر می گذارند. جهت و بزرگی آنها به عواملی مانند اندازه و پیکربندی منطقه ای که جریان ها و بارها در آن قرار دارند، جهت و بزرگی نسبی آنها بستگی دارد. ویژگی های الکتریکی یک محیط خاص و همچنین تغییرات در غلظت بارها و توزیع جریان های منبع نیز تأثیر قابل توجهی دارد.

به دلیل پیچیدگی کلی بیان مسئله، ارائه قانون نیروها در قالب یک فرمول واحد غیرممکن است. ساختاری که میدان الکترومغناطیسی نامیده می شود و در صورت لزوم به عنوان یک جسم ریاضی در نظر گرفته می شود، با توزیع بارها و جریان ها تعیین می شود. به نوبه خود، توسط یک منبع معین با در نظر گرفتن شرایط مرزی ایجاد می شود. شرایط با شکل منطقه تعامل و ویژگی های مواد تعیین می شود. اگر صحبت از فضای نامحدود است، این شرایط تکمیل می شود. شرایط تشعشع به عنوان یک شرایط اضافی خاص در چنین مواردی عمل می کند. با توجه به آن، "صحت" رفتار میدان در بی نهایت تضمین می شود.

کرونولوژی مطالعه

لومونوسوف در برخی از مفاد خود، فرضیه های منفرد نظریه میدان الکترومغناطیسی را پیش بینی می کند: حرکت "دوار" (چرخشی) ذرات، نظریه "نوسان" (موج) نور، اشتراک آن با طبیعت الکتریسیته، و غیره. مادون قرمز. جریان ها در سال 1800 توسط هرشل (دانشمند انگلیسی) کشف شد و سال بعد، 1801، ریتر اشعه ماوراء بنفش را توصیف کرد. تابش با برد کمتر از فرابنفش توسط رونتگن در سال 1895 در 8 نوامبر کشف شد. متعاقباً نام اشعه ایکس را دریافت کرد.

تأثیر امواج الکترومغناطیسی توسط بسیاری از دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، اولین کسی که احتمالات جریان ها و دامنه کاربرد آنها را بررسی کرد، نارکویچ-ایدکو (دانشمند بلاروسی) بود. وی خواص جریان ها را در رابطه با طب عملی مطالعه کرد. تابش گاما توسط پل ویلارد در سال 1900 کشف شد. در همان دوره، پلانک مطالعات نظری در مورد خواص جسم سیاه انجام داد. در فرآیند مطالعه، او ماهیت کوانتومی این فرآیند را کشف کرد. کار او آغاز توسعه بود و متعاقباً چندین اثر از پلانک و انیشتین منتشر شد. تحقیقات آنها منجر به شکل گیری مفهومی مانند فوتون شد. این به نوبه خود پایه و اساس ایجاد نظریه کوانتومی شارهای الکترومغناطیسی را گذاشت. توسعه آن در آثار شخصیت های علمی برجسته قرن بیستم ادامه یافت.

تحقیقات بیشتر و کار بر روی نظریه کوانتومی تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش آن با ماده در نهایت منجر به تشکیل الکترودینامیک کوانتومی به شکلی شد که امروزه وجود دارد. از دانشمندان برجسته ای که به بررسی این موضوع پرداخته اند، باید علاوه بر اینشتین و پلانک، بور، بوز، دیراک، دو بروگلی، هایزنبرگ، توموناگا، شوینگر، فاینمن را نام برد.

نتیجه

اهمیت فیزیک در دنیای مدرن بسیار زیاد است. تقریباً هر چیزی که امروزه در زندگی بشر استفاده می شود به لطف استفاده عملی از تحقیقات دانشمندان بزرگ ظاهر شد. کشف امواج الکترومغناطیسی و مطالعه آنها به ویژه منجر به ایجاد فرستنده های رادیویی معمولی و متعاقباً تلفن های همراه شد. کاربرد عملی چنین دانش نظری در زمینه پزشکی، صنعت و فناوری از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

این استفاده گسترده به دلیل ماهیت کمی علم است. تمام آزمایش های فیزیکی بر اساس اندازه گیری ها، مقایسه ویژگی های پدیده های مورد مطالعه با استانداردهای موجود است. برای این منظور است که مجموعه ای از ابزارها و واحدهای اندازه گیری در این رشته ایجاد شده است. تعدادی از الگوها در تمام سیستم های مواد موجود مشترک است. به عنوان مثال، قوانین بقای انرژی، قوانین فیزیکی عمومی در نظر گرفته می شوند.

علم به عنوان یک کل در بسیاری از موارد بنیادی نامیده می شود. این اول از همه به این دلیل است که سایر رشته ها توضیحاتی را ارائه می دهند که به نوبه خود از قوانین فیزیک پیروی می کنند. بنابراین، در شیمی، اتم ها، مواد تشکیل شده از آنها و تبدیل ها مورد مطالعه قرار می گیرند. اما خواص شیمیایی اجسام توسط ویژگی های فیزیکی مولکول ها و اتم ها تعیین می شود. این ویژگی ها شاخه هایی از فیزیک مانند الکترومغناطیس، ترمودینامیک و غیره را توصیف می کنند.

تشعشعات الکترومغناطیسی دقیقاً تا زمانی که جهان ما زنده بوده وجود دارد. نقش کلیدی در تکامل حیات روی زمین داشت. در واقع این اختلال حالت یک میدان الکترومغناطیسی است که در فضا توزیع شده است.

ویژگی های تابش الکترومغناطیسی

هر موج الکترومغناطیسی با استفاده از سه ویژگی توصیف می شود.

1. فرکانس.

2. قطبی شدن.

قطبی شدن- یکی از ویژگی های اصلی موج. ناهمسانگردی عرضی امواج الکترومغناطیسی را شرح می دهد. هنگامی که تمام نوسانات موج در یک صفحه اتفاق می افتد، تابش قطبی در نظر گرفته می شود.

این پدیده به طور فعال در عمل استفاده می شود. مثلا در سینما هنگام نمایش فیلم های سه بعدی.

با استفاده از پلاریزاسیون، عینک IMAX تصویری را که برای چشم های مختلف در نظر گرفته شده است جدا می کند.

فرکانس- تعداد تاج های موجی که در یک ثانیه از کنار ناظر (در این مورد آشکارساز) عبور می کنند. با هرتز اندازه گیری می شود.

طول موج- فاصله مشخصی بین نزدیکترین نقاط تابش الکترومغناطیسی که نوسانات آن در یک فاز اتفاق می افتد.

تابش الکترومغناطیسی تقریباً در هر محیطی می تواند منتشر شود: از ماده متراکم گرفته تا خلاء.

سرعت انتشار در خلاء 300 هزار کیلومتر در ثانیه است.

برای ویدیوی جالب در مورد ماهیت و خواص امواج EM، ویدیوی زیر را تماشا کنید:

انواع امواج الکترومغناطیسی

تمام تشعشعات الکترومغناطیسی بر اساس فرکانس تقسیم می شوند.

1. امواج رادیویی.کوتاه، فوق کوتاه، فوق العاده بلند، بلند، متوسط ​​وجود دارد.

طول امواج رادیویی از 10 کیلومتر تا 1 میلی متر و از 30 کیلوهرتز تا 300 گیگاهرتز متغیر است.

منابع آنها می تواند هم فعالیت های انسانی و هم پدیده های مختلف جوی طبیعی باشد.

2. . طول موج از 1 میلی متر تا 780 نانومتر متغیر است و می تواند تا 429 تراهرتز برسد. تابش مادون قرمز را تابش حرارتی نیز می نامند. اساس تمام زندگی در سیاره ما.

3. نور مرئی.طول 400 - 760/780 نانومتر. بر این اساس، بین 790-385 هرتز در نوسان است. این شامل کل طیف تابشی است که با چشم انسان قابل مشاهده است.

4. . طول موج کوتاهتر از تابش مادون قرمز است.

می تواند تا 10 نانومتر برسد. چنین امواجی بسیار بزرگ هستند - حدود 3x10^16 هرتز.

5. اشعه ایکس. امواج 6x10^19 هرتز، و طول حدود 10 نانومتر - 5 بعد از ظهر است.

6. امواج گاما.این شامل هر تشعشعی است که بزرگتر از اشعه ایکس است و طول آن کوتاهتر است. منبع چنین امواج الکترومغناطیسی فرآیندهای کیهانی و هسته ای است.

دامنه کاربرد

از اواخر قرن نوزدهم، تمام پیشرفت های بشر با استفاده عملی از امواج الکترومغناطیسی همراه بوده است.

اولین چیزی که قابل ذکر است ارتباط رادیویی است. این به مردم این فرصت را می داد که حتی اگر از یکدیگر دور باشند، با هم ارتباط برقرار کنند.

پخش ماهواره ای و ارتباطات از راه دور توسعه بیشتر ارتباطات رادیویی اولیه هستند.

این فناوری ها هستند که تصویر اطلاعاتی جامعه مدرن را شکل داده اند.

منابع تشعشعات الکترومغناطیسی را باید هم تأسیسات صنعتی بزرگ و هم خطوط مختلف برق در نظر گرفت.

امواج الکترومغناطیسی به طور فعال در امور نظامی (رادارها، دستگاه های پیچیده الکتریکی) استفاده می شود. همچنین، پزشکی نمی تواند بدون استفاده از آنها انجام دهد. از اشعه مادون قرمز می توان برای درمان بسیاری از بیماری ها استفاده کرد.

اشعه ایکس به تعیین آسیب به بافت های داخلی فرد کمک می کند.

لیزرها برای انجام تعدادی از عملیات که نیاز به دقت دقیق دارند استفاده می شود.

اهميت پرتوهاي الكترومغناطيسي در زندگي عملي انسان به سختي قابل برآورد است.

ویدئوی شوروی در مورد میدان الکترومغناطیسی:

تأثیر منفی احتمالی بر انسان

اگرچه مفید است، اما منابع قوی تابش الکترومغناطیسی می تواند علائمی مانند:

خستگی؛

سردرد؛

حالت تهوع.

قرار گرفتن بیش از حد در معرض انواع خاصی از امواج باعث آسیب به اندام های داخلی، سیستم عصبی مرکزی و مغز می شود. تغییرات در روان انسان ممکن است.

ویدئویی جالب در مورد تاثیر امواج EM بر انسان:

برای جلوگیری از چنین عواقبی، تقریباً همه کشورهای جهان دارای استانداردهای حاکم بر ایمنی الکترومغناطیسی هستند. هر نوع تشعشع مدارک نظارتی خاص خود را دارد (استانداردهای بهداشتی، استانداردهای ایمنی پرتو). تأثیر امواج الکترومغناطیسی بر انسان به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است، بنابراین WHO توصیه می کند که قرار گرفتن در معرض آنها به حداقل برسد.