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L'ipotesi sull'esistenza delle onde elettromagnetiche fu espressa per la prima volta nel 1864 dal fisico scozzese James Maxwell. Nei suoi lavori ha dimostrato che le sorgenti del campo elettrico possono essere sia cariche elettriche che campi magnetici che cambiano nel tempo. Un cambiamento nell'induzione del campo magnetico nel tempo provoca la comparsa di un campo elettrico a vortice nello spazio circostante. Maxwell suggerì che qualsiasi cambiamento nell'intensità del campo elettrico del vortice è accompagnato dalla comparsa di un campo magnetico alternato. Ciò porta nuovamente alla comparsa di un campo elettrico a vortice, ecc. Questo processo può essere ripetuto “indefinitamente”, poiché i campi saranno in grado di riprodursi alternativamente anche nel vuoto.
- Viene chiamato un insieme di campi elettrici e magnetici periodicamente variabili associati tra loro campo elettromagnetico.
Secondo la teoria di Maxwell un campo elettromagnetico alternato si propaga nello spazio con velocità finita.
- Viene chiamato un campo elettromagnetico che si propaga nel vuoto o in qualsiasi mezzo nel tempo con una velocità finita Onda elettromagnetica.
Le onde elettromagnetiche furono scoperte sperimentalmente nel 1887 dal fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz. Hertz riteneva che tali onde non potessero essere utilizzate per trasmettere informazioni. Tuttavia, il 7 maggio 1905, lo scienziato russo Alexander Stepanovich Popov effettuò la prima trasmissione di informazioni al mondo tramite onde elettromagnetiche: una trasmissione radiofonica e segnò l'inizio dell'era delle trasmissioni radiofoniche.
Proprietà delle onde elettromagnetiche
- Le onde elettromagnetiche sono trasversale, poiché la velocità \(\vec(\upsilon)\) di propagazione delle onde, l'intensità \(\vec(E)\) del campo elettrico e l'induzione \(\vec(B)\) del campo magnetico di le onde sono reciprocamente perpendicolari.
- Velocità onda elettromagnetica nel vuoto (aria):
\(c = \dfrac(1)(\sqrt(\varepsilon_(0) \cdot \mu_(0))),\)
dove ε 0 è la costante elettrica, μ 0 è la costante magnetica.
Velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto C= 3⋅10 8 m/s è il valore massimo (massimo) raggiungibile. In qualsiasi sostanza la loro velocità di propagazione è minore C e dipende dalle sue proprietà elettriche e magnetiche:
\(\upsilon = \dfrac(c)(\sqrt(\varepsilon \cdot \mu)),\)
Dove ε è la costante dielettrica del mezzo, valore tabulare, μ è la permeabilità magnetica del mezzo, valore tabulare.
- La propagazione delle onde elettromagnetiche è associata al trasferimento dell'energia del campo elettromagnetico nello spazio. Densità apparente l'energia trasferita è pari a
\(\omega = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_(0) \cdot E^(2))(2) + \dfrac(B^(2))(2 \mu \cdot \mu_(0)) ,\)
Dove E- modulo vettoriale di tensione, B- modulo del vettore di induzione magnetica.
- Come le altre onde, anche le onde elettromagnetiche possono farlo assorbire, riflettere, rifrangere, esperienza interferenza e diffrazione.
- Onda elettromagnetica esiste senza sorgenti di campo nel senso che dopo la sua emissione il campo elettromagnetico dell'onda diventa estraneo alla sorgente. L'emissione di onde elettromagnetiche avviene con il movimento accelerato delle cariche elettriche.
Scala delle onde elettromagnetiche
Le proprietà delle onde elettromagnetiche dipendono fortemente dalla loro frequenza. Lo spettro della radiazione elettromagnetica è opportunamente rappresentato utilizzando la scala delle onde elettromagnetiche mostrata nella Figura 2.
La classificazione delle onde elettromagnetiche in base alle frequenze (lunghezze d'onda) è riportata nella Tabella 1.
Tabella 1.
Classificazione delle onde elettromagnetiche
| Tipi di radiazioni | Intervallo di frequenza, Hz | Intervallo di lunghezza d'onda, m | Sorgenti di radiazioni |
|---|---|---|---|
| Onde a bassa frequenza | < 3·10 3 | > 1⋅10 5 | Generatori di corrente alternata, macchine elettriche |
| Onde radio | 3·10 3 – 3·10 9 | 1·10 5 – 1·10 –1 | Circuiti oscillatori, vibratori Hertz |
| Microonde | 3·10 9 – 1·10 12 | 1·10 –1 – 1·10 –4 | Laser, dispositivi a semiconduttore |
| Radiazione infrarossa | 1·10 12 – 4·10 14 | 1·10 –4 – 7·10 –7 | Il sole, le lampade elettriche, i laser, i raggi cosmici |
| Radiazione visibile | 4·10 14 – 8·10 14 | 7·10 –7 – 4·10 –7 | Il sole, le lampade elettriche, lampade fluorescenti, laser |
| Radiazioni ultraviolette | 8·10 14 – 1·10 16 | 4·10 –7 – 3·10 –8 | Sole, raggi cosmici, laser, lampade elettriche |
| Radiazione a raggi X | 1·10 16 – 3·10 20 | 3·10 –8 – 1·10 –12 | Betatroni, corona solare, corpi celesti, tubi a raggi X |
| Radiazione gamma | 3·10 20 – 3·10 29 | 1·10 –12 – 1·10 –21 | Radiazione cosmica, decadimenti radioattivi, betatroni |
Attualmente si trovano onde elettromagnetiche ampia applicazione nella scienza e nella tecnologia:
- fusione e indurimento dei metalli nell'industria elettrica, produzione di magneti permanenti ( onde a bassa frequenza);
- televisione, radiocomunicazioni, radar ( onde radio);
- comunicazioni mobili, radar ( microonde);
- saldatura, taglio, fusione di metalli con laser, dispositivi per la visione notturna ( radiazione infrarossa);
- illuminazione, olografia, laser ( radiazione visibile);
- luminescenza nelle lampade a scarica di gas, indurimento di organismi viventi, laser ( radiazioni ultraviolette);
- Terapia a raggi X, analisi di diffrazione di raggi X, laser ( radiazione a raggi X);
- rilevamento di difetti, diagnostica e terapia in medicina, studio della struttura interna di atomi, laser, affari militari ( radiazione gamma).
Letteratura
Zhilko, V.V. Fisica: libro di testo. manuale per l'istruzione generale dell'11 ° grado. scuola dal russo lingua formazione / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - pp. 57-58.
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Le onde elettromagnetiche sono classificate in base alla lunghezza d'onda λ o alla frequenza d'onda associata F. Si noti inoltre che questi parametri caratterizzano non solo l'onda, ma anche le proprietà quantistiche del campo elettromagnetico. Pertanto, nel primo caso, l'onda elettromagnetica è descritta dalle leggi classiche studiate in questo corso.
Consideriamo il concetto di spettro delle onde elettromagnetiche. Spettro delle onde elettromagneticheè la banda di frequenza delle onde elettromagnetiche esistenti in natura.
Lo spettro della radiazione elettromagnetica in ordine di frequenza crescente è:
Diverse parti dello spettro elettromagnetico differiscono nel modo in cui emettono e ricevono onde appartenenti all'una o all'altra parte dello spettro. Per questo motivo non esistono confini netti tra le diverse parti dello spettro elettromagnetico, ma ciascuna gamma è determinata dalle proprie caratteristiche e dalla prevalenza delle sue leggi, determinate dai rapporti di scale lineari.
Le onde radio sono studiate dall'elettrodinamica classica. La luce infrarossa e la radiazione ultravioletta sono studiate sia dall'ottica classica che dalla fisica quantistica. I raggi X e le radiazioni gamma sono studiati nella fisica quantistica e nucleare.
Consideriamo più in dettaglio lo spettro delle onde elettromagnetiche.
Onde a bassa frequenza
Le onde a bassa frequenza sono onde elettromagnetiche la cui frequenza di oscillazione non supera i 100 kHz). È questa gamma di frequenza che viene tradizionalmente utilizzata nell'ingegneria elettrica. Nell'ingegneria energetica industriale viene utilizzata una frequenza di 50 Hz, alla quale l'energia elettrica viene trasmessa attraverso le linee e la tensione viene convertita dai dispositivi trasformatore. Nell'aviazione e nei trasporti terrestri viene spesso utilizzata la frequenza di 400 Hz, che offre un vantaggio in termini di peso 8 volte maggiore rispetto alla frequenza di 50 Hz rispetto alle macchine elettriche e ai trasformatori. Negli alimentatori switching ultime generazioni vengono utilizzate frequenze di trasformazione della corrente alternata di unità e decine di kHz, il che le rende compatte e ricche di energia.
La differenza fondamentale tra la gamma delle basse frequenze e le frequenze più alte è la diminuzione della velocità delle onde elettromagnetiche in proporzione alla radice quadrata della loro frequenza da 300 mila km/s a 100 kHz a circa 7 mila km/s a 50 Hz.
Onde radio
Le onde radio sono onde elettromagnetiche le cui lunghezze d'onda sono superiori a 1 mm (frequenza inferiore a 3 10 11 Hz = 300 GHz) e inferiore a 3 km (superiore a 100 kHz).
Le onde radio si dividono in:
1. Onde lunghe nell'intervallo di lunghezza da 3 km a 300 m (frequenza nell'intervallo 10,5 Hz - 10,6 Hz = 1 MHz);
2. Onde medie nell'intervallo di lunghezza da 300 m a 100 m (frequenza nell'intervallo 10 6 Hz -3*10 6 Hz = 3 MHz);
3. Onde corte nell'intervallo di lunghezze d'onda da 100 ma 10 m (frequenza nell'intervallo 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz);
4. Onde ultracorte con lunghezza d'onda inferiore a 10 m (frequenza superiore a 310 7 Hz = 30 MHz).
Le onde ultracorte, a loro volta, si dividono in:
A) onde metriche;
B) onde centimetriche;
B) onde millimetriche;
Le onde con una lunghezza d'onda inferiore a 1 m (frequenza inferiore a 300 MHz) sono chiamate microonde o onde ad altissima frequenza (onde a microonde).
A causa delle grandi lunghezze d'onda della gamma radio rispetto alle dimensioni degli atomi, la propagazione delle onde radio può essere considerata senza tener conto della struttura atomica del mezzo, cioè fenomenologicamente, come è consuetudine quando si costruisce la teoria di Maxwell. Le proprietà quantistiche delle onde radio appaiono solo per le onde più corte adiacenti alla parte infrarossa dello spettro e durante la propagazione del cosiddetto. impulsi ultracorti con durata dell'ordine di 10 -12 sec - 10 -15 sec, paragonabili al tempo delle oscillazioni degli elettroni all'interno di atomi e molecole.
La differenza fondamentale tra le onde radio e le frequenze più alte è una diversa relazione termodinamica tra la lunghezza d'onda del portatore d'onda (etere), pari a 1 mm (2,7°K), e l'onda elettromagnetica che si propaga in questo mezzo.
Effetti biologici delle radiazioni delle onde radio
La terribile esperienza sacrificale dell'uso della potente radiazione di onde radio nella tecnologia radar ha mostrato l'effetto specifico delle onde radio a seconda della lunghezza d'onda (frequenza).
SU corpo umano l'effetto distruttivo non è tanto la media quanto picco di potenza radiazione, durante la quale si verificano fenomeni irreversibili nelle strutture proteiche. Ad esempio, la potenza della radiazione continua dal magnetron di un forno a microonde (microonde), pari a 1 kW, colpisce solo il cibo in un piccolo volume chiuso (schermato) del forno ed è quasi sicuro per una persona nelle vicinanze. La potenza di una stazione radar (radar) è di 1 kW di potenza media emessa da brevi impulsi con un ciclo di lavoro di 1000:1 (il rapporto tra il periodo di ripetizione e la durata dell'impulso) e, di conseguenza, una potenza di impulso di 1 MW, è molto pericoloso per la salute e la vita umana fino a una distanza di centinaia di metri dall'emettitore. In quest'ultimo, ovviamente, gioca un ruolo anche la direzione della radiazione radar, che enfatizza l'effetto distruttivo della potenza pulsata piuttosto che della potenza media.
Esposizione alle onde del metro
Onde misuratrici ad alta intensità emesse da generatori di impulsi di stazioni radar misuratrici (radar) con una potenza di impulso superiore a un megawatt (come la stazione di allarme rapido P-16) e commisurate alla lunghezza midollo spinale nell'uomo e negli animali, nonché la lunghezza degli assoni, interrompono la conduttività di queste strutture, causando la sindrome diencefalica (malattia HF). Quest'ultimo porta al rapido sviluppo (in un periodo da diversi mesi a diversi anni) di paralisi irreversibile completa o parziale (a seconda della dose di radiazioni pulsata ricevuta) degli arti di una persona, nonché all'interruzione dell'innervazione dell'intestino e altri organi interni.
Impatto delle onde decimetriche
Le onde decimali sono paragonabili in lunghezza d'onda ai vasi sanguigni, coprendo organi umani e animali come polmoni, fegato e reni. Questo è uno dei motivi per cui provocano lo sviluppo di tumori “benigni” (cisti) in questi organi. Sviluppandosi sulla superficie dei vasi sanguigni, questi tumori portano alla cessazione della normale circolazione sanguigna e all'interruzione della funzione degli organi. Se tali tumori non vengono rimossi chirurgicamente in tempo, si verifica la morte del corpo. Onde decimali di livelli di intensità pericolosi vengono emesse dai magnetron di radar come il radar di difesa aerea mobile P-15, nonché dal radar di alcuni aerei.
Esposizione alle onde centimetriche
Le potenti onde centimetriche causano malattie come la leucemia - "sangue bianco", così come altre forme tumore maligno esseri umani e animali. Onde di intensità sufficiente per il verificarsi di queste malattie sono generate dai radar con portata centimetrica P-35, P-37 e da quasi tutti i radar degli aerei.
Radiazioni infrarosse, luminose e ultraviolette
Infrarossi, luce, ultravioletti la radiazione ammonta a regione ottica dello spettro delle onde elettromagnetiche nel senso lato del termine. Questo spettro occupa la gamma delle lunghezze d'onda elettromagnetiche nell'intervallo da 2·10 -6 m = 2 μm a 10 -8 m = 10 nm (frequenza da 1,5·10 14 Hz a 3·10 16 Hz). Il limite superiore della gamma ottica è determinato dal limite delle onde lunghe della gamma degli infrarossi e il limite inferiore dal limite delle onde corte dell'ultravioletto (Fig. 2.14).
La vicinanza delle regioni spettrali delle onde elencate ha determinato la somiglianza dei metodi e degli strumenti utilizzati per la loro ricerca e applicazione pratica. Storicamente per questi scopi venivano utilizzate lenti, reticoli di diffrazione, prismi, diaframmi e sostanze otticamente attive incluse in vari dispositivi ottici (interferometri, polarizzatori, modulatori, ecc.).
D'altra parte, la radiazione proveniente dalla regione ottica dello spettro ha schemi generali di trasmissione di vari mezzi, che possono essere ottenuti utilizzando l'ottica geometrica, ampiamente utilizzata per i calcoli e la costruzione sia di dispositivi ottici che di canali di propagazione del segnale ottico. La radiazione infrarossa lo è visibile a molti artropodi (insetti, ragni, ecc.) e rettili (serpenti, lucertole, ecc.) , accessibile ai sensori a semiconduttore (fotoarray a infrarossi), ma non viene trasmesso dallo spessore dell'atmosfera terrestre, che non consente osservare dalla superficie della Terra le stelle infrarosse - le "nane brune", che costituiscono oltre il 90% di tutte le stelle della Galassia.
L'ampiezza della frequenza della gamma ottica è di circa 18 ottave, di cui la gamma ottica rappresenta circa un'ottava (); per ultravioletto - 5 ottave ( 
), radiazione infrarossa - 11 ottave (
Nella parte ottica dello spettro diventano significativi i fenomeni causati dalla struttura atomica della materia. Per questo motivo, insieme alle proprietà ondulatorie della radiazione ottica, compaiono anche le proprietà quantistiche.
Leggero
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Luce, luce, radiazione visibile - visibile agli occhi Negli esseri umani e nei primati, parte dello spettro ottico della radiazione elettromagnetica occupa l'intervallo delle lunghezze d'onda elettromagnetiche nell'intervallo da 400 nanometri a 780 nanometri, cioè meno di un'ottava, un duplice cambiamento di frequenza.
Riso. 1.14. Scala delle onde elettromagnetiche Meme di memoria verbale dell'ordine dei colori nello spettro luminoso: |
Raggi X e radiazioni gamma
Nel campo dei raggi X e delle radiazioni gamma, le proprietà quantistiche delle radiazioni vengono alla ribalta.
Radiazione a raggi X si verifica quando le particelle cariche veloci (elettroni, protoni, ecc.) vengono decelerate, nonché come risultato di processi che si verificano all'interno dei gusci elettronici degli atomi.
La radiazione gamma è una conseguenza dei fenomeni che si verificano all'interno dei nuclei atomici, nonché il risultato di reazioni nucleari. Il confine tra raggi X e radiazione gamma è determinato convenzionalmente dal valore del quanto di energia corrispondente ad una data frequenza di radiazione.
La radiazione a raggi X è costituita da onde elettromagnetiche con una lunghezza da 50 nm a 10 -3 nm, che corrisponde ad un'energia quantistica da 20 eV a 1 MeV.
La radiazione gamma è costituita da onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda inferiore a 10 -2 nm, che corrisponde ad un'energia quantica superiore a 0,1 MeV.
Natura elettromagnetica della luce
La luce è la parte visibile dello spettro delle onde elettromagnetiche, le cui lunghezze d'onda vanno da 0,4 µm a 0,76 µm. A ciascuna componente spettrale della radiazione ottica può essere assegnato un colore specifico. Il colore delle componenti spettrali della radiazione ottica è determinato dalla loro lunghezza d'onda. Il colore della radiazione cambia al diminuire della sua lunghezza d'onda come segue: rosso, arancione, giallo, verde, ciano, indaco, viola.
La luce rossa, corrispondente alla lunghezza d'onda più lunga, definisce l'estremità rossa dello spettro. Luce viola: corrisponde al bordo viola.
La luce naturale (luce del giorno, luce solare) non è colorata e rappresenta una sovrapposizione di onde elettromagnetiche dell'intero spettro visibile all'uomo. La luce naturale si verifica a seguito dell'emissione di onde elettromagnetiche da parte di atomi eccitati. La natura dell'eccitazione può essere diversa: termica, chimica, elettromagnetica, ecc. Come risultato dell'eccitazione, gli atomi emettono casualmente onde elettromagnetiche per circa 10 -8 secondi. Poiché lo spettro energetico di eccitazione degli atomi è piuttosto ampio, le onde elettromagnetiche vengono emesse dall'intero spettro visibile, la cui fase iniziale, direzione e polarizzazione sono casuali. Per questo motivo la luce naturale non è polarizzata. Ciò significa che la "densità" delle componenti spettrali delle onde elettromagnetiche della luce naturale aventi polarizzazioni tra loro perpendicolari è la stessa.
Vengono chiamate onde elettromagnetiche armoniche nella gamma della luce monocromatico. Per un'onda luminosa monocromatica, una delle caratteristiche principali è l'intensità. Intensità delle onde luminose rappresenta il valore medio della densità del flusso di energia (1,25) trasferito dall'onda:
Dov'è il vettore di Poynting.
Calcolando l'intensità di un'onda luminosa, piana, monocromatica con un'ampiezza del campo elettrico in un mezzo omogeneo con permeabilità dielettrica e magnetica utilizzando la formula (1.35) tenendo conto di (1.30) e (1.32) si ottiene:
Tradizionalmente i fenomeni ottici vengono considerati utilizzando i raggi. Si chiama la descrizione dei fenomeni ottici utilizzando i raggi geometrico-ottico. Le regole per la ricerca delle traiettorie dei raggi, sviluppate nell'ottica geometrica, sono ampiamente utilizzate nella pratica per l'analisi dei fenomeni ottici e nella costruzione di vari strumenti ottici.
Definiamo un raggio basandoci sulla rappresentazione elettromagnetica delle onde luminose. Innanzitutto i raggi sono linee lungo le quali si propagano le onde elettromagnetiche. Per questo motivo, un raggio è una linea, in ciascun punto della quale il vettore Poynting medio di un'onda elettromagnetica è diretto tangenzialmente a questa linea.
Nei mezzi isotropi omogenei, la direzione del vettore di Poynting medio coincide con la normale alla superficie dell'onda (superficie equifase), cioè lungo il vettore d'onda.
Pertanto, nei mezzi isotropi omogenei, i raggi sono perpendicolari al corrispondente fronte d'onda dell'onda elettromagnetica.
Consideriamo ad esempio i raggi emessi da una sorgente luminosa puntiforme monocromatica. Dal punto di vista dell'ottica geometrica, molti raggi emanano dal punto sorgente in direzione radiale. Dalla posizione dell'essenza elettromagnetica della luce, un'onda elettromagnetica sferica si propaga dal punto sorgente. Ad una distanza sufficientemente grande dalla sorgente, la curvatura del fronte d'onda può essere trascurata, considerando l'onda localmente sferica piatta. Rompendo la superficie del fronte d'onda un gran numero di sezioni localmente piane, è possibile tracciare una normale passante per il centro di ciascuna sezione, lungo la quale si propaga un'onda piana, ovvero nel raggio di interpretazione geometrico-ottico. Pertanto, entrambi gli approcci forniscono la stessa descrizione dell’esempio considerato.
Il compito principale dell'ottica geometrica è trovare la direzione del raggio (traiettoria). L'equazione della traiettoria viene trovata dopo aver risolto il problema variazionale di trovare il minimo del cosiddetto. azioni sulle traiettorie desiderate. Senza entrare nei dettagli della rigorosa formulazione e soluzione di questo problema, possiamo supporre che i raggi siano traiettorie con la lunghezza ottica totale più breve. Questa affermazione è una conseguenza del principio di Fermat.
L'approccio variazionale per determinare la traiettoria dei raggi può essere applicato anche a mezzi disomogenei, ad es. mezzi in cui l'indice di rifrazione è funzione delle coordinate dei punti del mezzo. Se descriviamo la forma della superficie di un fronte d'onda in un mezzo disomogeneo con una funzione, allora può essere trovata sulla base della soluzione dell'equazione alle derivate parziali, nota come equazione eikonale, e in meccanica analitica come l'equazione di Hamilton-Jacobi equazione:
Pertanto, la base matematica dell'approssimazione geometrico-ottica della teoria elettromagnetica consiste in vari metodi per determinare i campi delle onde elettromagnetiche sui raggi, basati sull'equazione eikonale o in qualche altro modo. L'approssimazione geometrico-ottica è ampiamente utilizzata nella pratica nell'elettronica radio per calcolare il cosiddetto. sistemi quasi ottici.
In conclusione, notiamo che la capacità di descrivere la luce simultaneamente sia dalle posizioni delle onde risolvendo le equazioni di Maxwell sia utilizzando i raggi, la cui direzione è determinata dalle equazioni di Hamilton-Jacobi che descrivono il movimento delle particelle, è una delle manifestazioni dell'apparente dualismo della luce, che, come è noto, portò alla formulazione di principi logicamente contraddittori della meccanica quantistica.
In effetti, non esiste alcun dualismo nella natura delle onde elettromagnetiche. Come Max Planck dimostrò nel 1900 nella sua opera classica "Sullo spettro normale delle radiazioni", le onde elettromagnetiche sono oscillazioni quantizzate individuali con una frequenza v ed energia E=hv, Dove h =cost, in onda. Quest'ultimo è un mezzo superfluido che possiede una proprietà stabile di discontinuità nella misura H- Costante di Planck. Quando l'etere è esposto a un eccesso di energia hv Durante la radiazione si forma un “vortice” quantizzato. Esattamente lo stesso fenomeno si osserva in tutti i mezzi superfluidi e nella formazione di fononi in essi - quanti di radiazione sonora.
Per la combinazione “copia e incolla” della scoperta di Max Planck del 1900 con l’effetto fotoelettrico scoperto nel 1887 da Heinrich Hertz, il Comitato Nobel assegnò il premio nel 1921