Kiekvieną kartą, kai elektros srovė keičia dažnį ar kryptį, ji sukuria elektromagnetines bangas – elektrinių ir magnetinių jėgos laukų virpesius erdvėje. Vienas iš pavyzdžių – kintanti srovė radijo siųstuvo antenoje, kuri sukuria erdvėje sklindančių radijo bangų žiedus.

Elektromagnetinės bangos energija priklauso nuo jos ilgio - atstumo tarp dviejų gretimų "smailių". Kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo didesnė jo energija. Elektromagnetinės bangos mažėjančia ilgio tvarka skirstomos į radijo bangas, infraraudonąją spinduliuotę, matomą šviesą, ultravioletinę, rentgeno ir gama spinduliuotę. Gama spinduliuotės bangos ilgis nesiekia net šimto milijardų metro dalių, o radijo bangų ilgis gali būti matuojamas kilometrais.

Elektromagnetinės bangos sklinda erdvėje šviesos greičiu, o jų elektrinio ir magnetinio lauko jėgos linijos išsidėsčiusios stačiu kampu viena kitai ir bangos judėjimo krypčiai.

Elektromagnetinės bangos sklinda palaipsniui platėjančiais apskritimais iš dvipusės radijo stoties siųstuvo antenos, panašiai kaip bangos, kai akmenukas įkrenta į tvenkinį. Kintamoji elektros srovė antenoje sukuria bangas, susidedančias iš elektrinių ir magnetinių laukų.

Elektromagnetinių bangų grandinė

Elektromagnetinė banga sklinda tiesia linija, o jos elektrinis ir magnetinis laukai yra statmeni energijos srautui.

Elektromagnetinių bangų lūžis

Kaip ir šviesa, visos elektromagnetinės bangos lūžta, kai patenka į materiją bet kokiu kampu, išskyrus stačiu kampu.

Elektromagnetinių bangų atspindys

Jei elektromagnetinės bangos krenta ant metalinio parabolinio paviršiaus, jos sufokusuojamos taške.

Elektromagnetinių bangų kilimas

klaidingas elektromagnetinių bangų modelis, sklindantis iš siunčiančios antenos, atsiranda dėl vieno elektros srovės virpesio. Kai antena teka srovė, elektrinis laukas (raudonos linijos) nukreipiamas iš viršaus į apačią, o magnetinis laukas (žalios linijos) – prieš laikrodžio rodyklę. Jei srovė keičia kryptį, tas pats atsitinka ir elektriniams bei magnetiniams laukams.

Vladimiro regionas
pramoninis - komercinis
licėjus

abstrakčiai

Elektromagnetinės bangos

Užbaigta:
mokinys 11 „B“ klasė
Lvovas Michailas
Patikrinta:

Vladimiras 2001 m

Planuoti

1. Įvadas ………………………………………………………… 3

2. Bangos samprata ir jos charakteristikos……………………………… 4

3. Elektromagnetinės bangos………………………………………… 5

4. Eksperimentinis egzistavimo įrodymas
elektromagnetinės bangos…………………………………………………… 6

5. Elektromagnetinės spinduliuotės srauto tankis……………. 7

6. Radijo išradimas……………………………………………….… 9

7. Elektromagnetinių bangų savybės………………………………10

8. Moduliavimas ir aptikimas……………………………………… 10

9. Radijo bangų rūšys ir jų pasiskirstymas…………………………… 13

Įvadas

Banginiai procesai gamtoje itin paplitę. Gamtoje yra dviejų tipų bangos: mechaninės ir elektromagnetinės. Mechaninės bangos sklinda medžiagoje: dujinėje, skystoje ar kietoje medžiagoje. Elektromagnetinėms bangoms sklisti nereikia jokios medžiagos, įskaitant radijo bangas ir šviesą. Elektromagnetinis laukas gali egzistuoti vakuume, tai yra erdvėje, kurioje nėra atomų. Nepaisant didelio skirtumo tarp elektromagnetinių ir mechaninių bangų, elektromagnetinės bangos sklidimo metu elgiasi panašiai kaip mechaninės. Bet kaip ir svyravimai, visų tipų bangos kiekybiškai apibūdinamos tais pačiais arba beveik identiškais dėsniais. Savo darbe pabandysiu nagrinėti elektromagnetinių bangų atsiradimo priežastis, jų savybes ir pritaikymą mūsų gyvenime.

Bangos samprata ir jos charakteristikos

Banga vadinami vibracijomis, kurios laikui bėgant sklinda erdvėje.

Svarbiausia bangos savybė yra jos greitis. Bet kokio pobūdžio bangos nesklinda erdvėje akimirksniu. Jų greitis yra ribotas.

Kai mechaninė banga sklinda, judėjimas perduodamas iš vienos kūno dalies į kitą. Su judesio perdavimu siejamas energijos perdavimas. Pagrindinė visų bangų savybė, nepaisant jų prigimties, yra anergijos perdavimas neperduodant materijos. Energija gaunama iš šaltinio, kuris sužadina virpesius laido, stygos ir pan. pradžioje ir sklinda kartu su banga. Energija nuolat teka bet kuriuo skerspjūviu. Ši energija susideda iš laido sekcijų judėjimo kinetinės energijos ir jos tamprios deformacijos potencialios energijos. Laipsniškas virpesių amplitudės mažėjimas bangai sklindant yra susijęs su dalies mechaninės energijos pavertimu vidine energija.

Jei ištempto guminio laido galas harmoningai vibruoja tam tikru dažniu v, tada šie virpesiai pradės sklisti išilgai laido. Bet kurios laido dalies virpesiai atsiranda tokiu pat dažniu ir amplitude kaip ir laido galo virpesiai. Tačiau tik šie svyravimai yra pasislinkę vienas kito atžvilgiu. Tokios bangos vadinamos vienspalvis.

Jei fazės poslinkis tarp dviejų laido taškų svyravimų yra lygus 2n, tai šie taškai svyruoja lygiai taip pat: juk cos(2lvt+2l) = =сos2пvt. Tokie svyravimai vadinami fazėje(vyksta tomis pačiomis fazėmis).

Atstumas tarp arčiausiai vienas kito esančių taškų, kurie svyruoja tose pačiose fazėse, vadinamas bangos ilgiu.

Ryšys tarp bangos ilgio λ, dažnio v ir bangos greičio c. Per vieną svyravimo periodą banga sklinda atstumu λ. Todėl jo greitis nustatomas pagal formulę

Nuo laikotarpio T ir dažnis v yra susiję santykiu T = 1 / v

Bangos greitis lygus bangos ilgio ir virpesių dažnio sandaugai.

Elektromagnetinės bangos

Dabar pereikime prie tiesioginio elektromagnetinių bangų nagrinėjimo.

Pagrindiniai gamtos dėsniai gali atskleisti daug daugiau, nei yra faktuose, iš kurių jie yra kilę. Vienas iš jų yra Maksvelo atrasti elektromagnetizmo dėsniai.

Tarp daugybės labai įdomių ir svarbių pasekmių, kylančių iš Maksvelo elektromagnetinio lauko dėsnių, vienas nusipelno ypatingo dėmesio. Tai yra išvada, kad elektromagnetinė sąveika plinta baigtiniu greičiu.

Pagal trumpojo nuotolio veikimo teoriją, judinant krūvį keičiasi šalia jo esantis elektrinis laukas. Šis kintamasis elektrinis laukas sukuria kintamąjį magnetinį lauką gretimuose erdvės regionuose. Kintamasis magnetinis laukas savo ruožtu sukuria kintamąjį elektrinį lauką ir pan.

Taigi, krūvio judėjimas sukelia elektromagnetinio lauko „sprogimą“, kuris, plintant, apima vis didesnius supančios erdvės plotus.

Maksvelas matematiškai įrodė, kad šio proceso sklidimo greitis yra lygus šviesos greičiui vakuume.

Įsivaizduokite, kad elektros krūvis ne tiesiog perkeliamas iš vieno taško į kitą, bet yra nustatytas į greitus svyravimus išilgai tam tikros tiesios linijos. Tada elektrinis laukas šalia įkrovos pradės periodiškai keistis. Šių pokyčių laikotarpis akivaizdžiai bus lygus įkrovos svyravimų periodui. Kintamasis elektrinis laukas generuos periodiškai besikeičiantį magnetinį lauką, o pastarasis savo ruožtu sukels kintamo elektrinio lauko atsiradimą didesniu atstumu nuo krūvio ir pan.

Kiekviename erdvės taške elektrinis ir magnetinis laukai periodiškai keičiasi laike. Kuo toliau nuo krūvio yra taškas, tuo vėliau jį pasiekia lauko svyravimai. Vadinasi, skirtingais atstumais nuo krūvio, svyravimai vyksta skirtingomis fazėmis.

Elektrinio lauko stiprumo ir magnetinio lauko indukcijos virpesių vektorių kryptys yra statmenos bangos sklidimo krypčiai.

Elektromagnetinė banga yra skersinė.

Elektromagnetines bangas skleidžia svyruojantys krūviai. Svarbu, kad tokių krūvių judėjimo greitis laikui bėgant keistųsi, t.y. judėtų su pagreičiu. Pagreičio buvimas yra pagrindinė elektromagnetinių bangų emisijos sąlyga. Elektromagnetinis laukas skleidžiamas pastebimai ne tik svyruojant krūviui, bet ir staigiai keičiantis jo greičiui. Kuo didesniu pagreičiu juda krūvis, tuo didesnis skleidžiamos bangos intensyvumas.

Maxwellas buvo giliai įsitikinęs elektromagnetinių bangų tikrumu. Tačiau jis nesulaukė jų eksperimentinio atradimo. Praėjus tik 10 metų po jo mirties, Hertz eksperimentiškai išgavo elektromagnetines bangas.

Eksperimentinis egzistavimo įrodymas

elektromagnetines bangas

Elektromagnetinės bangos nėra matomos, skirtingai nei mechaninės bangos, bet kaip tada jos buvo atrastos? Norėdami atsakyti į šį klausimą, apsvarstykite Hertz eksperimentus.

Elektromagnetinė banga susidaro dėl kintamųjų elektrinių ir magnetinių laukų tarpusavio ryšio. Pakeitus vieną lauką atsiranda kitas. Kaip žinoma, kuo greičiau laikui bėgant keičiasi magnetinė indukcija, tuo didesnis susidarančio elektrinio lauko intensyvumas. Ir, savo ruožtu, kuo greičiau keičiasi elektrinio lauko stiprumas, tuo didesnė magnetinė indukcija.

Norint generuoti intensyvias elektromagnetines bangas, būtina sukurti pakankamai aukšto dažnio elektromagnetinius virpesius.

Aukšto dažnio virpesius galima gauti naudojant virpesių grandinę. Virpesių dažnis yra 1/ √ LC. Iš čia matyti, kad kuo mažesnė grandinės induktyvumas ir talpa, tuo ji bus didesnė.

Elektromagnetinėms bangoms gaminti G. Hercas panaudojo paprastą prietaisą, dabar vadinamą Hertz vibratoriumi.

Šis prietaisas yra atvira virpesių grandinė.

Galite pereiti prie atviros grandinės iš uždaros grandinės, jei palaipsniui perkelsite kondensatoriaus plokštes, sumažindami jų plotą ir tuo pačiu sumažindami ritės apsisukimų skaičių. Galų gale tai bus tiesiog tiesi viela. Tai atvira virpesių grandinė. Hertz vibratoriaus talpa ir induktyvumas yra maži. Todėl virpesių dažnis yra labai didelis.

Atviroje grandinėje krūviai nėra sutelkti galuose, o paskirstomi visame laidininke. Srovė tam tikru laiko momentu visose laidininko atkarpose yra nukreipta ta pačia kryptimi, tačiau srovės stipris skirtingose ​​laidininko atkarpose nėra vienodas. Galuose jis lygus nuliui, o viduryje pasiekia maksimumą (įprastose kintamosios srovės grandinėse srovės stipris visose atkarpose tam tikru laiko momentu yra vienodas.) Elektromagnetinis laukas taip pat apima visą erdvę šalia grandinės. .

Hertz gavo elektromagnetines bangas sužadindamas sparčiai kintamos srovės impulsų seriją vibratoriuje, naudojant aukštos įtampos šaltinį. Elektros krūvių svyravimai vibratoriuje sukuria elektromagnetinę bangą. Tik vibratoriuje virpesius atlieka ne viena įkrauta dalelė, o didžiulis skaičius kartu judančių elektronų. Elektromagnetinėje bangoje vektoriai E ir B yra statmeni vienas kitam. Vektorius E yra plokštumoje, einančioje per vibratorių, o vektorius B yra statmenas šiai plokštumai. Bangos skleidžiamos didžiausiu intensyvumu vibratoriaus ašiai statmena kryptimi. Išilgai ašies spinduliuotė nevyksta.

Elektromagnetines bangas Hertz registravo naudodamas priimantį vibratorių (rezonatorių), kuris yra toks pat prietaisas kaip ir skleidžiantis vibratorius. Veikiant kintamam elektromagnetinės bangos elektriniam laukui, priimančiame vibratoriuje sužadinami srovės svyravimai. Jei priimančiojo vibratoriaus natūralusis dažnis sutampa su elektromagnetinės bangos dažniu, stebimas rezonansas. Rezonatoriaus svyravimai vyksta su didele amplitude, kai jis yra lygiagrečiai spinduliuojančiam vibratoriui. Hertzas šias vibracijas atrado stebėdamas kibirkštis labai mažame tarpelyje tarp priimančiojo vibratoriaus laidininkų. Hertz ne tik gavo elektromagnetines bangas, bet ir atrado kad jie elgiasi kaip kitų tipų bangos.

Apskaičiuojant vibratoriaus elektromagnetinių virpesių savąjį dažnį. Hercas sugebėjo nustatyti elektromagnetinės bangos greitį pagal formulę c = λ v . Paaiškėjo, kad jis maždaug lygus šviesos greičiui: c = 300 000 km/s. Hertzo eksperimentai puikiai patvirtino Maksvelo prognozes.

Elektromagnetinės spinduliuotės srauto tankis

Dabar pereikime prie elektromagnetinių bangų savybių ir savybių. Viena iš elektromagnetinių bangų charakteristikų yra elektromagnetinės spinduliuotės tankis.

Apsvarstykite ploto S paviršių, per kurį elektromagnetinės bangos perduoda energiją.

Elektromagnetinės spinduliuotės I srauto tankis yra elektromagnetinės energijos W, praeinančios per laiką t per spinduliams statmenos S srities paviršių, santykis su ploto S ir laiko t sandauga.

Spinduliuotės srauto tankis SI išreiškiamas vatais kvadratiniam metrui (W/m2). Šis dydis kartais vadinamas bangos intensyvumu.

Po eilės transformacijų gauname, kad I = w c.

y., spinduliuotės srauto tankis yra lygus elektromagnetinės energijos tankio ir jos sklidimo greičio sandaugai.

Ne kartą esame susidūrę su realių fizikos priimtinumo šaltinių idealizavimu: materialus taškas, idealios dujos ir t.t. Čia sutiksime dar vieną.

Spinduliuotės šaltinis laikomas taškiniu, jei jo matmenys yra daug mažesni už atstumą, kuriuo vertinamas jo poveikis. Be to, daroma prielaida, kad toks šaltinis siunčia elektromagnetines bangas visomis kryptimis vienodu intensyvumu.

Panagrinėkime spinduliuotės srauto tankio priklausomybę nuo atstumo iki šaltinio.

Elektromagnetinių bangų nešama energija laikui bėgant pasiskirsto vis didesniame ir didesniame paviršiuje. Todėl energija, perduodama per ploto vienetą per laiko vienetą, ty spinduliuotės srauto tankis, mažėja didėjant atstumui nuo šaltinio. Spinduliuotės srauto tankio priklausomybę nuo atstumo iki šaltinio galite sužinoti padėję taškinį šaltinį spindulio rutulio centre R. sferos paviršiaus plotas S= 4 n R^2. Jei manytume, kad šaltinis skleidžia energiją W visomis kryptimis per laiką t

Taškinio šaltinio spinduliuotės srauto tankis mažėja atvirkščiai proporcingai atstumo iki šaltinio kvadratui.

Dabar apsvarstykite spinduliuotės srauto tankio priklausomybę nuo dažnio. Kaip žinoma, elektromagnetinės bangos sklinda pagreitinto įkrautų dalelių judėjimo metu. Elektromagnetinės bangos elektrinio lauko stipris ir magnetinė indukcija yra proporcingi pagreičiui A spinduliuojančias daleles. Pagreitis harmoninių virpesių metu yra proporcingas dažnio kvadratui. Todėl elektrinio lauko stiprumas ir magnetinė indukcija yra proporcingi dažnio kvadratui

Elektrinio lauko energijos tankis yra proporcingas lauko stiprumo kvadratui. Magnetinio lauko energija yra proporcinga magnetinės indukcijos kvadratui. Bendras elektromagnetinio lauko energijos tankis yra lygus elektrinio ir magnetinio lauko energijos tankių sumai. Todėl spinduliuotės srauto tankis yra proporcingas: (E^2+B^2). Iš čia gauname, kad I yra proporcingas w^4.

Spinduliuotės srauto tankis yra proporcingas ketvirtajai dažnio laipsniai.

Radijo išradimas

Hertzo eksperimentai sudomino viso pasaulio fizikus. Mokslininkai pradėjo ieškoti būdų, kaip pagerinti elektromagnetinių bangų skleidėją ir imtuvą. Rusijoje vienas pirmųjų elektromagnetines bangas tyrė Aleksandras Stepanovičius Popovas, Kronštato karininkų kursų mokytojas.

A. S. Popovas naudojo koheerį kaip dalį, kuri tiesiogiai „jaučia“ elektromagnetines bangas. Šis prietaisas yra stiklinis vamzdis su dviem elektrodais. Vamzdelyje yra mažų metalinių drožlių. Prietaiso veikimas pagrįstas elektros išlydžių poveikiu metalo milteliams. Normaliomis sąlygomis kohereris turi didelį atsparumą, nes pjuvenos blogai kontaktuoja viena su kita. Atvykusi elektromagnetinė banga koheeryje sukuria aukšto dažnio kintamąją srovę. Tarp pjuvenų šokinėja mažiausios kibirkštys, kurios sukepina pjuvenas. Dėl to koheererio varža smarkiai sumažėja (A.S. Popovo eksperimentuose nuo 100 000 iki 1000–500 omų, t. y. 100–200 kartų). Pakratydami galite vėl grąžinti prietaisą į didelį atsparumą. Siekdamas užtikrinti belaidžiam ryšiui reikalingą automatinį priėmimą, A. S. Popovas, gavęs signalą, varpeliu supurtė koheerį. Elektromagnetinės bangos atsiradimo metu elektros skambučio grandinė buvo uždaryta naudojant jautrią relę. Pasibaigus bangos priėmimui, varpo veikimas iš karto nutrūko, nes varpo kūjis smogė ne tik į varpo taurę, bet ir į kohererį. Paskutiniu kohererio purtymu aparatas buvo pasirengęs priimti naują bangą.

Siekdamas padidinti įrenginio jautrumą, A. S. Popovas įžemino vieną koheererio gnybtą, o kitą prijungė prie aukštai pakelto laido gabalo, sukurdamas pirmąją priėmimo anteną belaidžiam ryšiui. Įžeminimas paverčia laidų žemės paviršių atviros svyruojančios grandinės dalimi, o tai padidina priėmimo diapazoną.

Nors šiuolaikiniai radijo imtuvai labai mažai primena A. S. Popovo imtuvą, pagrindiniai jų veikimo principai yra tokie patys kaip ir jo įrenginyje. Šiuolaikinis imtuvas turi ir anteną, kurioje įeinanti banga sukelia labai silpnus elektromagnetinius virpesius. Kaip ir A. S. Popovo imtuve, šių svyravimų energija nėra tiesiogiai naudojama priėmimui. Silpni signalai valdo tik energijos šaltinius, kurie maitina kitas grandines. Šiais laikais toks valdymas vykdomas naudojant puslaidininkinius įtaisus.

1895 metų gegužės 7 dieną Sankt Peterburge vykusiame Rusijos fizikos-chemijos draugijos posėdyje A. S. Popovas pademonstravo savo prietaiso, kuris, tiesą sakant, buvo pirmasis pasaulyje radijo imtuvas, veikimą. Gegužės 7-oji tapo radijo gimtadieniu.

Elektromagnetinių bangų savybės

Šiuolaikiniai radijo inžinerijos prietaisai leidžia atlikti labai vaizdinius eksperimentus elektromagnetinių bangų savybėms stebėti. Šiuo atveju geriausia naudoti centimetrines bangas. Šias bangas skleidžia specialus itin aukšto dažnio (mikrobangų) generatorius. Generatoriaus elektrinius virpesius moduliuoja garso dažnis. Gautas signalas po aptikimo siunčiamas į garsiakalbį.

Neaprašysiu visų eksperimentų atlikimo, o sutelksiu dėmesį į pagrindinius.

1. Dielektrikai geba sugerti elektromagnetines bangas.

2. Kai kurios medžiagos (pavyzdžiui, metalas) geba sugerti elektromagnetines bangas.

3. Elektromagnetinės bangos gali keisti savo kryptį ties dielektriko riba.

4. Elektromagnetinės bangos yra skersinės bangos. Tai reiškia, kad bangos elektromagnetinio lauko vektoriai E ir B yra statmeni jos sklidimo krypčiai.

Moduliavimas ir aptikimas

Po to, kai Popovas išrado radiją, praėjo šiek tiek laiko, kai žmonės norėjo perduoti kalbą ir muziką, o ne telegrafo signalus, susidedančius iš trumpų ir ilgų signalų. Taip buvo išrastas radijo telefoninis ryšys. Panagrinėkime pagrindinius tokio ryšio veikimo principus.

Radijotelefono ryšio metu oro slėgio svyravimai garso bangoje mikrofonu paverčiami tokios pat formos elektrinėmis vibracijomis. Atrodytų, kad sustiprinus šias vibracijas ir įvedant į anteną, kalbą ir muziką bus galima perduoti per atstumą naudojant elektromagnetines bangas. Tačiau iš tikrųjų šis perdavimo būdas nėra įmanomas. Faktas yra tas, kad naujo dažnio garso virpesiai yra gana lėtos vibracijos, o žemo (garso) dažnio elektromagnetinės bangos beveik visai nespinduliuoja. Siekiant įveikti šią kliūtį, buvo sukurta moduliacija, o aptikimas bus išsamiai aptartas.

Moduliavimas. Norint vykdyti radijo telefono ryšį, būtina naudoti antenos intensyviai skleidžiamus aukšto dažnio virpesius. Neslopintus aukšto dažnio harmoninius virpesius sukuria generatorius, pavyzdžiui, tranzistorių generatorius.

Garsui perduoti šios aukšto dažnio virpesiai keičiami, arba, kaip sakoma, moduliuojami, naudojant žemo dažnio (garso) elektrines vibracijas. Galima, pavyzdžiui, garso dažniu keisti aukšto dažnio virpesių amplitudę. Šis metodas vadinamas amplitudės moduliavimu.

aukšto dažnio virpesių grafikas, vadinamas nešlio dažniu;

b) garso dažnio svyravimų, t.y. moduliuojančių virpesių, grafikas;

c) amplitudės moduliuojamų virpesių grafikas.

Be moduliacijos geriausiu atveju galime kontroliuoti, ar stotis veikia, ar tyli. Be moduliacijos nėra telegrafo, telefono ar televizijos perdavimo.

Aukšto dažnio virpesių amplitudinė moduliacija pasiekiama specialiai veikiant nuolatinių virpesių generatorių. Visų pirma, moduliacija gali būti atlikta pakeitus įtampą, kurią generuoja šaltinis virpesių grandinėje. Kuo didesnė generatoriaus grandinės įtampa, tuo daugiau energijos iš šaltinio patenka į grandinę per laikotarpį. Tai lemia grandinės virpesių amplitudės padidėjimą. Mažėjant įtampai mažėja ir į grandinę patenkanti energija. Todėl grandinėje mažėja virpesių amplitudė.

Paprasčiausiame įrenginyje amplitudės moduliacijai įgyvendinti papildomas žemo dažnio kintamos įtampos šaltinis yra nuosekliai sujungtas su pastovios įtampos šaltiniu. Šis šaltinis gali būti, pavyzdžiui, transformatoriaus antrinė apvija, jei per pirminę jo apviją teka garso dažnio srovė. Dėl to generatoriaus virpesių grandinės virpesių amplitudė laikui bėgant keisis keičiantis tranzistoriaus įtampai. Tai reiškia, kad aukšto dažnio virpesių amplitudė moduliuojama žemo dažnio signalu.

Be amplitudės moduliacijos, kai kuriais atvejais naudojama dažnio moduliacija – keičiant virpesių dažnį pagal valdymo signalą. Jo pranašumas yra didesnis atsparumas trukdžiams.

Aptikimas. Imtuve žemo dažnio svyravimai yra atskirti nuo moduliuotų aukšto dažnio virpesių. Šis signalo konvertavimo procesas vadinamas aptikimu.

Signalas, gautas kaip aptikimo rezultatas, atitinka garso signalą, kuris veikė siųstuvo mikrofoną. Sustiprinus žemo dažnio vibracijas galima paversti garsu.

Imtuvo gaunamas moduliuotas aukšto dažnio signalas net ir po stiprinimo negali tiesiogiai sukelti vibracijų telefono ar garsiakalbio rage su garso dažniu. Tai gali sukelti tik aukšto dažnio virpesius, kurių mūsų ausys nesuvokia. Todėl imtuve pirmiausia reikia izoliuoti garso dažnio signalą nuo aukšto dažnio moduliuotų virpesių.

Aptikimas atliekamas prietaisu, kuriame yra vienpusio laidumo elementas - detektorius. Toks elementas gali būti elektroninis vamzdis (vakuuminis diodas) arba puslaidininkinis diodas.

Panagrinėkime puslaidininkinio detektoriaus veikimą. Tegul šis prietaisas yra nuosekliai sujungtas su moduliuotų virpesių šaltiniu ir apkrova. Srovė grandinėje tekės daugiausia viena kryptimi.

Grandinėje tekės pulsuojanti srovė. Ši pulsacinė srovė išlyginama naudojant filtrą. Paprasčiausias filtras yra kondensatorius, prijungtas prie apkrovos.

Filtras veikia taip. Tais momentais, kai diodas praleidžia srovę, dalis jos praeina per apkrovą, o kita dalis atsišakoja į kondensatorių, jį įkrauna. Srovės ventiliatoriaus išjungimas sumažina per apkrovą praeinančią srovę. Bet intervale tarp impulsų, kai diodas uždarytas, kondensatorius iš dalies išsikrauna per apkrovą.

Todėl intervale tarp impulsų srovė teka per apkrovą ta pačia kryptimi. Kiekvienas naujas impulsas įkrauna kondensatorių. Dėl to per apkrovą teka garso dažnio srovė, kurios bangos forma beveik tiksliai atkartoja žemo dažnio signalo formą siunčiančioje stotyje.

Radijo bangų rūšys ir jų pasiskirstymas

Jau išnagrinėjome pagrindines elektromagnetinių bangų savybes, jų pritaikymą radijuje, radijo bangų susidarymą. Dabar susipažinkime su radijo bangų rūšimis ir jų sklidimu.

Žemės paviršiaus forma ir fizinės savybės, taip pat atmosferos būklė labai įtakoja radijo bangų sklidimą.

Ypač didelę įtaką radijo bangų sklidimui turi jonizuotų dujų sluoksniai viršutinėse atmosferos dalyse 100-300 km aukštyje virš Žemės paviršiaus. Šie sluoksniai vadinami jonosfera. Viršutinių atmosferos sluoksnių oro jonizaciją sukelia Saulės elektromagnetinė spinduliuotė ir jos skleidžiamas įkrautų dalelių srautas.

Laidi elektros srovę, jonosfera atspindi radijo bangas, kurių bangos ilgis > 10 m, kaip įprasta metalinė plokštė. Tačiau jonosferos gebėjimas atspindėti ir sugerti radijo bangas labai skiriasi priklausomai nuo paros laiko ir sezonų.

Stabilus radijo ryšys tarp atokių žemės paviršiaus taškų už regėjimo linijos yra įmanomas dėl bangų atspindžio iš jonosferos ir radijo bangų gebėjimo lenktis aplink išgaubtą žemės paviršių. Šis lenkimas yra ryškesnis, kuo ilgesnis bangos ilgis. Todėl radijo ryšys dideliais atstumais dėl aplink Žemę besilenkiančių bangų galimas tik kai bangos ilgis gerokai viršija 100 m. vidutinės ir ilgos bangos)

Trumpos bangos(bangos ilgio diapazonas nuo 10 iki 100 m) sklinda dideliais atstumais tik dėl daugkartinių atspindžių nuo jonosferos ir Žemės paviršiaus. Būtent trumpųjų bangų pagalba radijo ryšys gali būti vykdomas bet kokiu atstumu tarp radijo stočių Žemėje.

Ultratrumpos radijo bangos (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.

Dabar pažvelkime į kitą radijo bangų pritaikymą. Tai radaras.

Vadinamas objektų aptikimas ir tiksli vieta naudojant radijo bangas radaras. Radaro montavimas - radaras(arba radaras) – susideda iš siunčiančių ir priimančių dalių. Radarai naudoja itin aukšto dažnio elektrinius virpesius. Galingas mikrobangų generatorius yra prijungtas prie antenos, kuri skleidžia labai kryptingą bangą. Ryškus spinduliuotės kryptingumas gaunamas dėl bangų pridėjimo. Antena sukonstruota taip, kad kiekvieno vibratoriaus siunčiamos bangos, pridėjus viena kitą, viena kitą sustiprintų tik tam tikra kryptimi. Kitomis kryptimis, sudėjus bangas, jų visiškas arba dalinis abipusis panaikinimas.

Atsispindėjusią bangą fiksuoja ta pati skleidžianti antena arba kita, taip pat labai kryptinga priėmimo antena.

Norint nustatyti atstumą iki taikinio, naudojamas impulsinės spinduliuotės režimas. Siųstuvas skleidžia bangas trumpais pliūpsniais. Kiekvieno impulso trukmė yra milijoninės sekundės dalys, o intervalas tarp impulsų yra maždaug 1000 kartų ilgesnis. Pauzių metu gaunamos atsispindėjusios bangos.

Atstumas nustatomas išmatuojant bendrą radijo bangų kelionės laiką iki taikinio ir atgal. Kadangi radijo bangų greitis c = 3*10 8 m/s atmosferoje yra beveik pastovus, tai R = ct/2.

Katodinių spindulių vamzdis naudojamas siunčiamiems ir atspindėtiems signalams įrašyti.

Radijo bangos naudojamos ne tik garsui perduoti, bet ir vaizdams perduoti (televizijai).

Vaizdų perdavimo per atstumą principas yra toks. Siuntimo stotyje vaizdas paverčiamas elektrinių signalų seka. Tada šie signalai moduliuojami virpesiais, kuriuos sukuria aukšto dažnio generatorius. Modifikuota elektromagnetinė banga perduoda informaciją dideliais atstumais. Atvirkštinis konvertavimas atliekamas imtuve. Aptinkami aukšto dažnio moduliuoti virpesiai ir gautas signalas paverčiamas matomu vaizdu. Judėjimui perduoti jie naudoja kino principą: šiek tiek kitokie judančio objekto vaizdai (kadrai) perduodami dešimtis kartų per sekundę (mūsų televizijoje 50 kartų).

Rėmelio vaizdas paverčiamas perduodančiu vakuuminiu elektronų vamzdžiu – ikonoskopu – į elektrinių signalų seriją. Be ikonoskopo, yra ir kitų perdavimo įrenginių. Ikonoskopo viduje yra mozaikinis ekranas, kuriame naudojant optinę sistemą projektuojamas objekto vaizdas. Kiekviena mozaikinė ląstelė yra įkraunama, o jos įkrova priklauso nuo į ląstelę patenkančios šviesos intensyvumo. Šis krūvis pasikeičia, kai elektronų pistoleto sukurtas elektronų pluoštas patenka į elementą. Elektronų pluoštas paeiliui pataiko į visus elementus iš pradžių vienoje mozaikos eilutėje, po to kitoje eilutėje ir pan. (iš viso 625 eilutės).

Srovė rezistoriuje priklauso nuo to, kiek keičiasi elemento įkrova. R. Todėl įtampa per rezistorių keičiasi proporcingai apšvietimo pokyčiui išilgai rėmo linijų.

Tas pats signalas po aptikimo gaunamas ir televizoriaus imtuve. Tai vaizdo signalas Jis paverčiamas matomu vaizdu priimančiojo vakuuminio elektronų vamzdžio ekrane - kineskopas.

Televizijos radijo signalai gali būti perduodami tik ultratrumpųjų (metrų) bangų diapazone.

Bibliografija.

1. Myakishev G.Ya. , Bukhovtsevas B.B. Fizika - 11. M. 1993 m.

2. Telesninas R.V., Jakovlevas V.F. Fizikos kursas. Elektra. M. 1970 m

3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Fizikos pagrindai. t. 2. M. 1981 m

Bendrosios sąvokos apie elektromagnetines bangas

Šiandienos pamokoje nagrinėsime tokią reikalingą temą kaip elektromagnetinės bangos. Ir ši tema svarbi jau vien dėl to, kad visas mūsų šiuolaikinis gyvenimas yra susijęs su televizija, radiju ir mobiliuoju ryšiu. Todėl verta pabrėžti, kad visa tai atliekama dėl elektromagnetinių bangų.

Dabar pereikime prie išsamesnio su elektromagnetinėmis bangomis susijusio klausimo svarstymo ir, visų pirma, pateiksime tokių bangų apibrėžimą.

Kaip jau žinote, banga yra erdvėje sklindantis trikdymas, tai yra, jei kažkur įvyko trikdymas ir jis plinta į visas puses, tai galima sakyti, kad šio trikdymo plitimas yra ne kas kita, kaip bangos reiškinys.

Elektromagnetinės bangos – tai elektromagnetiniai virpesiai, sklindantys erdvėje baigtiniu greičiu, kuris priklauso nuo terpės savybių. Kitaip tariant, galime sakyti, kad elektromagnetinė banga yra elektromagnetinis laukas arba elektromagnetiniai trikdžiai, sklindantys erdvėje.

Diskusiją pradėkime nuo to, kad elektromagnetinio lauko elektromagnetinių bangų teoriją pirmasis sukūrė anglų mokslininkas Jamesas Maxwellas. Įdomiausia ir smalsiausia šiame darbe tai, kad paaiškėjo, jog elektrinis ir magnetinis laukai, kaip žinote, ir kadangi įrodyta, kad jie egzistuoja kartu. Tačiau paaiškėja, kad jie gali egzistuoti visiškai be jokios medžiagos. Ši labai svarbi išvada padaryta Jameso Clerko Maxwello darbuose.

Pasirodo, elektromagnetinis laukas gali egzistuoti ir ten, kur nėra medžiagos. Mes jums sakėme, kad garso bangos yra tik ten, kur yra terpė. Tai yra, vibracijos, atsirandančios su dalelėmis, gali būti perduodamos tik ten, kur yra dalelių, kurios gali perduoti šį trikdymą.

Bet kalbant apie elektromagnetinį lauką, jis gali egzistuoti ten, kur nėra medžiagos ir nėra dalelių. Taigi, elektromagnetinis laukas egzistuoja vakuume, o tai reiškia, kad jei sukuriame tam tikras sąlygas ir galime tarsi sukurti bendrą elektromagnetinį trikdymą erdvėje, tai atitinkamai šis trikdymas turi galimybę plisti į visas puses. Ir būtent tai turėsime elektromagnetinę bangą.

Pirmasis žmogus, sugebėjęs skleisti elektromagnetinę bangą ir priimti elektromagnetinę bangą, buvo vokiečių mokslininkas Heinrichas Hercas. Jis pirmasis sukūrė tokią elektromagnetinių bangų spinduliavimo ir priėmimo instaliaciją.

Pirmas dalykas, kurį turime pasakyti, yra tai, kad norint skleisti elektromagnetinę bangą, mums, žinoma, reikia gana greitai judančio elektros krūvio. Turime sukurti įrenginį, kuriame būtų labai greitai judantis arba pagreitintas elektros krūvis.

Heinrichas Hercas savo eksperimentų pagalba įrodė, kad norint gauti galingą ir gana pastebimą elektromagnetinę bangą, judantis elektros krūvis turi svyruoti labai dideliu dažniu, tai yra kelių dešimčių tūkstančių hercų eilės tvarka. Taip pat reikia pabrėžti, kad jei toks svyravimas įvyksta įkrovimo metu, tai aplink jį susidarys kintamasis elektromagnetinis laukas, kuris pasklis į visas puses. Tai yra, tai bus elektromagnetinė banga.

Elektromagnetinių bangų savybės

Taip pat būtina atkreipti dėmesį į tai, kad elektromagnetinė banga, žinoma, turi tam tikrų savybių, ir šios savybės buvo tiksliai nurodytos Maxwello darbuose.

Taip pat reikėtų pažymėti, kad elektromagnetinių bangų savybės turi tam tikrų skirtumų, taip pat labai priklauso nuo jos ilgio. Priklausomai nuo savybių ir bangos ilgio, elektromagnetinės bangos skirstomos į diapazonus. Jie turi gana savavališką skalę, nes gretimi diapazonai linkę vienas kitą sutapti.

Taip pat naudinga žinoti, kad kai kurios sritys turi bendrų savybių. Šios savybės apima:

Galimybė įsiskverbti;
didelis medžiagos sklidimo greitis;
teigiamas ir neigiamas poveikis žmogaus organizmui ir kt.

Elektromagnetinių bangų rūšys yra radijo bangos, ultravioletiniai ir infraraudonieji diapazonai, matoma šviesa, taip pat rentgeno spinduliai, gama spinduliuotė ir kt.

Dabar atidžiai pažvelkime į žemiau esančią lentelę ir išsamiau išnagrinėkime, kaip galima klasifikuoti elektromagnetines bangas, kokios yra spinduliuotės rūšys, spinduliuotės šaltiniai ir jų dažnis:

Įdomūs faktai apie elektromagnetines bangas

Tikriausiai niekam nebus paslaptis, kad mus supanti erdvė yra persmelkta elektromagnetinės spinduliuotės. Toks spinduliavimas siejamas ne tik su telefono ir radijo antenomis, bet ir su mus supančiais kūnais, Žeme, Saule ir žvaigždėmis. Priklausomai nuo virpesių dažnio, elektromagnetinės bangos gali turėti skirtingus pavadinimus, tačiau jų esmė panaši. Tokios elektromagnetinės bangos apima radijo bangas, infraraudonąją spinduliuotę, matomą šviesą, rentgeno spindulius, taip pat biolauko spindulius.

Toks beribis energijos šaltinis kaip elektromagnetinis laukas sukelia atomų ir molekulių elektrinių krūvių svyravimus. Iš to išplaukia, kad svyruodamas krūvis juda su pagreičiu ir tuo pačiu skleidžia elektromagnetines bangas.

Elektromagnetinių bangų poveikis žmonių sveikatai

Daugelį metų mokslininkams rūpi elektromagnetinių laukų įtakos žmonių, gyvūnų ir augalų sveikatai problema, todėl daug laiko skiria šios problemos tyrimams ir tyrimams.

Tikriausiai kiekvienas iš jūsų yra buvęs diskotekose ir pastebėjęs, kad veikiami ultravioletinių lempų šviesūs drabužiai pradėjo švytėti. Ši spinduliuotė nekelia pavojaus gyviems organizmams.

Tačiau lankantis soliariume ar naudojant ultravioletines lempas medicininiais tikslais, būtina naudoti akių apsaugą, nes toks poveikis gali sukelti trumpalaikį regėjimo praradimą.

Taip pat naudojant ultravioletines baktericidines lempas, kuriomis dezinfekuojamos patalpos, reikia būti itin atidiems ir jas naudojant būtinai išeiti iš patalpos, nes jos neigiamai veikia žmogaus odą, taip pat augalus, nudegina lapus.

Tačiau be mus supančių spinduliuotės šaltinių ir įvairių prietaisų, žmogaus kūnas turi ir savo elektrinį bei magnetinį lauką. Tačiau taip pat turėtumėte žinoti, kad žmogaus organizme visą gyvenimą elektromagnetiniai laukai linkę nuolat keistis.

Norint nustatyti žmogaus elektromagnetinį lauką, naudojamas toks tikslus prietaisas kaip encefalografas. Naudodamiesi šiuo prietaisu galite tiksliai išmatuoti žmogaus elektromagnetinį lauką ir nustatyti jo aktyvumą smegenų žievėje. Dėl tokio prietaiso kaip encefalografas atsiradimo tapo įmanoma diagnozuoti įvairias ligas net ankstyvoje stadijoje.

Elektromagnetinės bangos (kurių lentelė bus pateikta žemiau) yra erdvėje paskirstytų magnetinių ir elektrinių laukų trikdžiai. Yra keletas jų tipų. Fizika tiria šiuos sutrikimus. Elektromagnetinės bangos susidaro dėl to, kad kintamasis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką, kuris, savo ruožtu, sukuria elektrinį.

Tyrimų istorija

Pirmosios teorijos, kurias galima laikyti seniausiomis hipotezių apie elektromagnetines bangas versijomis, siekia bent jau Huygenso laikus. Per tą laikotarpį prielaidos pasiekė ryškią kiekybinę raidą. Huygensas 1678 m. išleido savotišką teorijos „eskizą“ - „Traktatą apie šviesą“. 1690 m. jis paskelbė dar vieną puikų darbą. Jame buvo išdėstyta kokybinė atspindžio ir lūžio teorija tokia forma, kokia ji ir šiandien pateikiama mokykliniuose vadovėliuose („Elektromagnetinės bangos“, 9 klasė).

Tuo pat metu buvo suformuluotas Huygenso principas. Su jo pagalba tapo įmanoma ištirti bangos fronto judėjimą. Vėliau šis principas buvo plėtojamas Fresnelio darbuose. Huygenso-Fresnelio principas buvo ypač svarbus šviesos difrakcijos teorijoje ir bangų teorijoje.

1660–1670 metais Hukas ir Niutonas įnešė didelį eksperimentinį ir teorinį indėlį į mokslinius tyrimus. Kas atrado elektromagnetines bangas? Kas atliko eksperimentus, kad įrodytų jų egzistavimą? Kokie yra elektromagnetinių bangų tipai? Daugiau apie tai vėliau.

Maxwello pagrindimas

Prieš kalbant apie tai, kas atrado elektromagnetines bangas, reikia pasakyti, kad pirmasis mokslininkas, kuris apskritai numatė jų egzistavimą, buvo Faradėjus. Savo hipotezę jis iškėlė 1832 m. Vėliau Maxwellas dirbo kurdamas teoriją. Šį darbą jis baigė iki 1865 m. Dėl to Maksvelas griežtai suformulavo teoriją matematiškai, pateisindamas nagrinėjamų reiškinių egzistavimą. Jis taip pat nustatė elektromagnetinių bangų sklidimo greitį, kuris sutapo su tuo metu naudoto šviesos greičio reikšme. Tai savo ruožtu leido jam pagrįsti hipotezę, kad šviesa yra viena iš nagrinėjamų spinduliuotės rūšių.

Eksperimentinis aptikimas

Maxwello teoriją patvirtino Hertzo eksperimentai 1888 m. Čia reikia pasakyti, kad vokiečių fizikas atliko savo eksperimentus, kad paneigtų teoriją, nepaisant jos matematinio pagrindimo. Tačiau savo eksperimentų dėka Hertzas tapo pirmuoju, kuris praktiškai atrado elektromagnetines bangas. Be to, savo eksperimentų metu mokslininkas nustatė radiacijos savybes ir charakteristikas.

Hertzas gavo elektromagnetinius virpesius ir bangas, sužadindamas sparčiai kintančio srauto impulsų seriją vibratoriuje, naudojant aukštos įtampos šaltinį. Aukšto dažnio sroves galima aptikti naudojant grandinę. Kuo didesnė talpa ir induktyvumas, tuo didesnis bus virpesių dažnis. Tačiau tuo pačiu metu aukštas dažnis negarantuoja intensyvaus srauto. Atlikdamas savo eksperimentus, Hertz naudojo gana paprastą prietaisą, kuris šiandien vadinamas „Hertz vibratoriumi“. Prietaisas yra atviro tipo virpesių grandinė.

Hertzo eksperimento schema

Radiacijos registracija buvo atlikta naudojant priimantį vibratorių. Šio prietaiso konstrukcija buvo tokia pati kaip ir skleidžiančio įrenginio. Veikiant kintamo elektrinio lauko elektromagnetinei bangai, priimančiame įrenginyje buvo sužadintas srovės svyravimas. Jei šiame įrenginyje jo natūralus dažnis ir srauto dažnis sutapo, tada atsirado rezonansas. Dėl to trikdžiai priimančiame įrenginyje atsirado su didesne amplitude. Tyrėjas juos atrado stebėdamas kibirkštis tarp laidininkų nedideliame tarpelyje.

Taip Hertzas pirmasis atrado elektromagnetines bangas ir įrodė jų gebėjimą gerai atsispindėti nuo laidininkų. Jis praktiškai pagrindė stovinčios spinduliuotės susidarymą. Be to, Hercas nustatė elektromagnetinių bangų sklidimo ore greitį.

Charakteristikos tyrimas

Elektromagnetinės bangos sklinda beveik visose terpėse. Erdvėje, užpildytoje materija, spinduliuotė kai kuriais atvejais gali pasiskirstyti gana gerai. Tačiau tuo pat metu jie šiek tiek keičia savo elgesį.

Elektromagnetinės bangos vakuume aptinkamos be slopinimo. Jie paskirstomi bet kokiu atstumu, nesvarbu, koks didelis. Pagrindinės bangų charakteristikos yra poliarizacija, dažnis ir ilgis. Savybės aprašytos elektrodinamikos rėmuose. Tačiau konkretesnės fizikos šakos nagrinėja tam tikrų spektro sričių spinduliuotės ypatybes. Tai apima, pavyzdžiui, optiką.

Kietosios elektromagnetinės spinduliuotės trumpųjų bangų spektriniame gale tyrimas atliekamas didelės energijos skyriuje. Atsižvelgiant į šiuolaikines idėjas, dinamika nustoja būti savarankiška disciplina ir yra derinama su viena teorija.

Teorijos, naudojamos tiriant savybes

Šiandien yra įvairių metodų, kurie palengvina svyravimų apraiškų ir savybių modeliavimą ir tyrimą. Kvantinė elektrodinamika laikoma pagrindine iš patikrintų ir užbaigtų teorijų. Iš jo, taikant tam tikrus supaprastinimus, tampa įmanoma gauti toliau išvardytus metodus, kurie plačiai naudojami įvairiose srityse.

Santykinai žemo dažnio spinduliuotės apibūdinimas makroskopinėje aplinkoje atliekamas naudojant klasikinę elektrodinamiką. Jis pagrįstas Maksvelo lygtimis. Tačiau programose yra supaprastinimų. Optiniam tyrimui naudojama optika. Bangų teorija naudojama tais atvejais, kai kai kurios optinės sistemos dalys yra artimos bangos ilgiams. Kvantinė optika naudojama tada, kai reikšmingi fotonų sklaidos ir sugerties procesai.

Geometrinė optinė teorija yra ribinis atvejis, kai bangos ilgio galima nepaisyti. Taip pat yra keletas taikomųjų ir pagrindinių skyrių. Tai apima, pavyzdžiui, astrofiziką, vizualinio suvokimo ir fotosintezės biologiją bei fotochemiją. Kaip klasifikuojamos elektromagnetinės bangos? Žemiau pateikiama lentelė, kurioje aiškiai pavaizduotas pasiskirstymas į grupes.

klasifikacija

Yra elektromagnetinių bangų dažnių diapazonai. Tarp jų nėra aštrių perėjimų, kartais jie persidengia. Ribos tarp jų yra gana savavališkos. Dėl to, kad srautas paskirstomas nuolat, dažnis yra griežtai susijęs su ilgiu. Žemiau pateikiami elektromagnetinių bangų diapazonai.

Ultratrumpoji spinduliuotė paprastai skirstoma į mikrometrą (submilimetrą), milimetrą, centimetrą, decimetrą, metrą. Jei elektromagnetinė spinduliuotė yra mažesnė nei metras, tai paprastai vadinama ultraaukšto dažnio virpesiais (mikrobanga).

Elektromagnetinių bangų tipai

Aukščiau yra elektromagnetinių bangų diapazonai. Kokių tipų srautai yra? Į grupę įeina gama ir rentgeno spinduliai. Reikia pasakyti, kad tiek ultravioletinė, tiek net matoma šviesa gali jonizuoti atomus. Ribos, kuriose yra gama ir rentgeno spinduliai, nustatomos labai sąlygiškai. Kaip bendros gairės, priimtinos 20 eV – 0,1 MeV ribos. Gama srautus siaurąja prasme skleidžia branduolys, rentgeno spindulių srautus skleidžia elektronų atominis apvalkalas, išmušant elektronus iš žemai esančių orbitų. Tačiau ši klasifikacija netaikoma kietajai spinduliuotei, kuri susidaro nedalyvaujant branduoliams ir atomams.

Rentgeno spindulių srautai susidaro lėtėjant įkrautoms greitosioms dalelėms (protonams, elektronams ir kt.) ir dėl procesų, vykstančių atomų elektronų apvalkaluose. Gama svyravimai atsiranda dėl procesų atomų branduoliuose ir elementariųjų dalelių transformacijos metu.

Radijo srautai

Dėl didelės ilgių vertės šios bangos gali būti nagrinėjamos neatsižvelgiant į terpės atominę struktūrą. Išimties tvarka veikia tik trumpiausi srautai, esantys greta infraraudonųjų spindulių spektro srities. Radijo diapazone kvantinės virpesių savybės pasirodo gana silpnai. Nepaisant to, į juos reikia atsižvelgti, pavyzdžiui, analizuojant molekulinius laiko ir dažnio standartus, kai įranga aušinama iki kelių kelvinų temperatūros.

Į kvantines savybes taip pat atsižvelgiama aprašant generatorius ir stiprintuvus milimetrų ir centimetrų diapazonuose. Radijo srautas susidaro kintamajai srovei judant atitinkamo dažnio laidininkais. O praeinanti elektromagnetinė banga erdvėje sužadina atitinkamą. Ši savybė naudojama kuriant radijo inžinerijos antenas.

Matomi siūlai

Ultravioletinė ir infraraudonoji matoma spinduliuotė plačiąja šio žodžio prasme sudaro vadinamąją optinę spektro dalį. Šios srities parinkimą lemia ne tik atitinkamų zonų artumas, bet ir tyrime naudojamų instrumentų, sukurtų pirmiausiai tiriant matomą šviesą, panašumas. Tai visų pirma veidrodžiai ir lęšiai, skirti fokusuoti spinduliuotę, difrakcijos grotelės, prizmės ir kt.

Optinių bangų dažniai yra panašūs į molekulių ir atomų dažnius, o jų ilgiai yra panašūs į tarpmolekulinius atstumus ir molekulių dydžius. Todėl šioje srityje reikšmingi tampa reiškiniai, kuriuos sukelia materijos atominė struktūra. Dėl tos pačios priežasties šviesa kartu su bangų savybėmis turi ir kvantinių savybių.

Optinių srautų atsiradimas

Garsiausias šaltinis yra Saulė. Žvaigždės paviršiaus (fotosferos) temperatūra yra 6000° Kelvino ir skleidžia ryškiai baltą šviesą. Didžiausia ištisinio spektro vertė yra „žaliojoje“ zonoje - 550 nm. Čia taip pat yra didžiausias regėjimo jautrumas. Kaitinant kūnus, atsiranda optinio diapazono svyravimai. Todėl infraraudonųjų spindulių srautai taip pat vadinami šilumos srautais.

Kuo labiau kūnas įkaista, tuo didesnis dažnis, kuriame yra spektro maksimumas. Temperatūrai padidėjus, pastebimas įkaitinimas (švytėjimas matomame diapazone). Tokiu atveju pirmiausia atsiranda raudona spalva, tada geltona ir pan. Optinių srautų kūrimas ir įrašymas gali vykti biologinėse ir cheminėse reakcijose, iš kurių viena naudojama fotografijoje. Daugumai Žemėje gyvenančių būtybių fotosintezė yra energijos šaltinis. Ši biologinė reakcija vyksta augaluose, veikiant optinei saulės spinduliuotei.

Elektromagnetinių bangų ypatybės

Terpės ir šaltinio savybės turi įtakos srautų charakteristikoms. Tai visų pirma nustato laukų priklausomybę nuo laiko, o tai lemia srauto tipą. Pavyzdžiui, pasikeitus atstumui nuo vibratoriaus (jam didėjant), kreivio spindulys tampa didesnis. Dėl to susidaro plokštuminė elektromagnetinė banga. Sąveika su medžiaga taip pat vyksta įvairiais būdais.

Srautų sugerties ir emisijos procesus, kaip taisyklė, galima apibūdinti naudojant klasikinius elektrodinaminius ryšius. Kalbant apie bangas optinėje srityje ir kietuosius spindulius, reikėtų dar labiau atsižvelgti į jų kvantinį pobūdį.

Srauto šaltiniai

Nepaisant fizinio skirtumo, visur – radioaktyvioje medžiagoje, televizijos siųstuve, kaitrinėje lempoje – elektromagnetinės bangos sužadinamos elektros krūviais, kurie juda su pagreičiu. Yra du pagrindiniai šaltinių tipai: mikroskopiniai ir makroskopiniai. Pirmajame yra staigus įkrautų dalelių perėjimas iš vieno lygio į kitą molekulių ar atomų viduje.

Mikroskopiniai šaltiniai skleidžia rentgeno, gama, ultravioletinių, infraraudonųjų, matomą, o kai kuriais atvejais ir ilgųjų bangų spinduliuotę. Pastarojo pavyzdys yra vandenilio spektro linija, kuri atitinka 21 cm bangos ilgį. Šis reiškinys yra ypač svarbus radijo astronomijoje.

Makroskopiniai šaltiniai yra emiteriai, kuriuose laisvieji laidininkų elektronai atlieka periodinius sinchroninius virpesius. Šios kategorijos sistemose generuojami srautai nuo milimetro iki ilgiausio (elektros linijose).

Srauto struktūra ir stiprumas

Įsibėgėjančios ir periodiškai besikeičiančios srovės viena kitą veikia tam tikromis jėgomis. Kryptis ir jų dydis priklauso nuo tokių veiksnių kaip srities, kurioje yra srovės ir krūviai, dydis ir konfigūracija, jų santykinė kryptis ir dydis. Didelę įtaką turi ir konkrečios terpės elektrinės charakteristikos, taip pat krūvių koncentracijos ir šaltinio srovių pasiskirstymo pokyčiai.

Dėl bendro problemos teiginio sudėtingumo neįmanoma jėgų dėsnio pateikti vienos formulės forma. Struktūra, vadinama elektromagnetiniu lauku ir prireikus laikoma matematiniu objektu, nustatoma pagal krūvių ir srovių pasiskirstymą. Jį savo ruožtu sukuria tam tikras šaltinis, atsižvelgdamas į ribines sąlygas. Sąlygas lemia sąveikos zonos forma ir medžiagos savybės. Jei kalbame apie neribotą erdvę, šios aplinkybės yra papildytos. Radiacinė sąlyga tokiais atvejais veikia kaip ypatinga papildoma sąlyga. Dėl to garantuojamas lauko elgesio „teisingumas“ begalybėje.

Studijų chronologija

Lomonosovas kai kuriose savo nuostatose numato atskirus elektromagnetinio lauko teorijos postulatus: dalelių „sukamąjį“ (sukamąjį) judėjimą, „svyruojančią“ (banginę) šviesos teoriją, jos bendrumą su elektros prigimtimi ir kt. srautus 1800 metais atrado Herschelis (anglų mokslininkas), o kitais, 1801 metais, Ritteris aprašė ultravioletinius. Rentgenas 1895 m., lapkričio 8 d., atrado trumpesnio nuotolio spinduliuotę nei ultravioletinis. Vėliau jis gavo pavadinimą X-ray.

Elektromagnetinių bangų įtaką tyrė daugelis mokslininkų. Tačiau pirmasis srautų galimybes ir jų taikymo sferą tyrinėjo Narkevičius-Jodko (Baltarusijos mokslininkas). Jis tyrinėjo srautų savybes, susijusias su praktine medicina. Gama spinduliuotę atrado Paulas Willardas 1900 m. Tuo pačiu laikotarpiu Planckas atliko teorinius juodojo kūno savybių tyrimus. Studijuodamas jis atrado kvantinį proceso pobūdį. Jo darbai buvo kūrimo pradžia. Vėliau buvo paskelbti keli Plancko ir Einšteino darbai. Jų tyrimai paskatino suformuoti tokią sąvoką kaip fotonas. Tai savo ruožtu padėjo pagrindus sukurti elektromagnetinių srautų kvantinę teoriją. Jo plėtra tęsėsi XX amžiaus pirmaujančių mokslo veikėjų darbuose.

Tolesni tyrimai ir darbas, susijęs su elektromagnetinės spinduliuotės kvantine teorija ir jos sąveika su medžiaga, galiausiai lėmė kvantinės elektrodinamikos formavimąsi tokia forma, kokia ji egzistuoja šiandien. Tarp iškilių mokslininkų, tyrinėjusių šią problemą, be Einšteino ir Plancko, reikėtų paminėti Bohrą, Bose'ą, Diracą, de Broglie'ą, Heisenbergą, Tomonagą, Schwingerį, Feynmaną.

Išvada

Fizikos reikšmė šiuolaikiniame pasaulyje yra gana didelė. Beveik viskas, kas šiandien naudojama žmogaus gyvenime, atsirado dėl praktinio didžiųjų mokslininkų tyrimų panaudojimo. Visų pirma elektromagnetinių bangų atradimas ir jų tyrimas paskatino sukurti įprastinius, o vėliau ir mobiliuosius telefonus, radijo siųstuvus. Tokių teorinių žinių praktinis pritaikymas ypač svarbus medicinos, pramonės ir technologijų srityse.

Tokį platų naudojimą lemia kiekybinis mokslo pobūdis. Visi fizikiniai eksperimentai yra pagrįsti matavimais, tiriamų reiškinių savybių palyginimu su esamais standartais. Tam tikslui disciplinoje buvo sukurtas matavimo priemonių ir vienetų kompleksas. Daugybė modelių būdingi visoms esamoms medžiagų sistemoms. Pavyzdžiui, energijos tvermės dėsniai laikomi bendrais fiziniais dėsniais.

Mokslas kaip visuma daugeliu atvejų vadinamas fundamentiniu. Taip yra visų pirma dėl to, kad kitos disciplinos pateikia aprašymus, kurie savo ruožtu paklūsta fizikos dėsniams. Taigi chemijoje tiriami atomai, iš jų susidarančios medžiagos, virsmai. Tačiau chemines kūnų savybes lemia molekulių ir atomų fizikinės savybės. Šios savybės apibūdina tokias fizikos šakas kaip elektromagnetizmas, termodinamika ir kt.

Elektromagnetinė spinduliuotė egzistuoja tiksliai tol, kol gyvuoja mūsų Visata. Jis vaidino pagrindinį vaidmenį gyvybės evoliucijoje Žemėje. Tiesą sakant, šis sutrikimas yra erdvėje paskirstyto elektromagnetinio lauko būsena.

Elektromagnetinės spinduliuotės charakteristikos

Bet kuri elektromagnetinė banga apibūdinama naudojant tris charakteristikas.

1. Dažnis.

2. Poliarizacija.

Poliarizacija– vienas pagrindinių bangos atributų. Apibūdina skersinę elektromagnetinių bangų anizotropiją. Spinduliuotė laikoma poliarizuota, kai visi bangų svyravimai vyksta toje pačioje plokštumoje.

Šis reiškinys aktyviai naudojamas praktikoje. Pavyzdžiui, kino teatruose, kai rodomi 3D filmai.

Naudojant poliarizaciją, IMAX akiniai atskiria vaizdą, skirtą skirtingoms akims.

Dažnis– bangų keterų, kurios praeina pro stebėtoją (šiuo atveju detektorių) per vieną sekundę, skaičius. Jis matuojamas hercais.

Bangos ilgis– tam tikras atstumas tarp artimiausių elektromagnetinės spinduliuotės taškų, kurių svyravimai vyksta toje pačioje fazėje.

Elektromagnetinė spinduliuotė gali sklisti beveik bet kurioje terpėje: nuo tankios medžiagos iki vakuumo.

Sklidimo greitis vakuume yra 300 tūkstančių km per sekundę.

Norėdami pamatyti įdomų vaizdo įrašą apie EM bangų prigimtį ir savybes, žiūrėkite toliau pateiktą vaizdo įrašą:

Elektromagnetinių bangų tipai

Visa elektromagnetinė spinduliuotė yra padalinta iš dažnio.

1. Radijo bangos. Yra trumpi, itin trumpi, itin ilgi, ilgi, vidutiniai.

Radijo bangų ilgis svyruoja nuo 10 km iki 1 mm ir nuo 30 kHz iki 300 GHz.

Jų šaltiniai gali būti ir žmogaus veikla, ir įvairūs gamtos atmosferos reiškiniai.

2. . Bangos ilgis svyruoja nuo 1 mm iki 780 nm ir gali siekti iki 429 THz. Infraraudonoji spinduliuotė dar vadinama šilumine spinduliuote. Visos gyvybės mūsų planetoje pagrindas.

3. Matoma šviesa. Ilgis 400 - 760/780 nm. Atitinkamai, jis svyruoja tarp 790-385 THz. Tai apima visą spinduliuotės spektrą, kurį gali matyti žmogaus akis.

4. . Bangos ilgis yra trumpesnis nei infraraudonųjų spindulių.

Gali siekti iki 10 nm. tokios bangos labai didelės – apie 3x10^16 Hz.

5. Rentgeno spinduliai. bangos yra 6x10^19 Hz, o ilgis apie 10 nm – 5 pm.

6. Gama bangos. Tai apima bet kokią spinduliuotę, kuri yra didesnė nei rentgeno spinduliai, o ilgis yra trumpesnis. Tokių elektromagnetinių bangų šaltinis yra kosminiai, branduoliniai procesai.

Taikymo sritis

Kai kur nuo XIX amžiaus pabaigos visa žmonijos pažanga buvo siejama su praktiniu elektromagnetinių bangų panaudojimu.

Pirmas dalykas, kurį verta paminėti, yra radijo ryšys. Tai suteikė žmonėms galimybę bendrauti, net jei jie buvo toli vienas nuo kito.

Palydovinis transliavimas ir telekomunikacijos yra tolesnė primityvaus radijo ryšio plėtra.

Būtent šios technologijos suformavo šiuolaikinės visuomenės informacinį įvaizdį.

Elektromagnetinės spinduliuotės šaltiniais reikėtų laikyti tiek didelius pramonės objektus, tiek įvairias elektros linijas.

Elektromagnetinės bangos aktyviai naudojamos kariniuose reikaluose (radarai, sudėtingi elektros prietaisai). Be jų naudojimo neapsieitų ir medicina. Infraraudonoji spinduliuotė gali būti naudojama daugelio ligų gydymui.

Rentgeno spinduliai padeda nustatyti žmogaus vidinių audinių pažeidimus.

Lazeriai naudojami daugybei operacijų, kurioms reikia tikslaus tikslumo, atlikti.

Elektromagnetinės spinduliuotės svarbą žmogaus praktiniame gyvenime sunku pervertinti.

Sovietinis vaizdo įrašas apie elektromagnetinį lauką:

Galimas neigiamas poveikis žmogui

Nors ir naudingi, stiprūs elektromagnetinės spinduliuotės šaltiniai gali sukelti tokius simptomus kaip:

Nuovargis;

Galvos skausmas;

Pykinimas.

Pernelyg didelis tam tikrų tipų bangų poveikis sukelia vidaus organų, centrinės nervų sistemos ir smegenų pažeidimus. Galimi žmogaus psichikos pokyčiai.

Įdomus vaizdo įrašas apie EM bangų poveikį žmonėms:

Siekiant išvengti tokių pasekmių, beveik visos pasaulio šalys turi elektromagnetinę saugą reglamentuojančius standartus. Kiekviena spinduliuotės rūšis turi savo norminius dokumentus (higienos normas, radiacinės saugos normas). Elektromagnetinių bangų poveikis žmonėms nėra iki galo ištirtas, todėl PSO rekomenduoja kuo labiau sumažinti jų poveikį.