Elektromagnetno valovanje v naravi in ​​tehniki Heinrich Rudolf. Povzetek lekcije Lestvica elektromagnetnih valov. Lastnosti elektromagnetnega valovanja različnih frekvenčnih območij. Elektromagnetno valovanje v naravi in ​​tehniki Obseg sevanja in snov

Elektromagnetno valovanje je elektromagnetno nihanje, ki se v prostoru širi s končno hitrostjo, odvisno od lastnosti medija. Elektromagnetno valovanje je elektromagnetno polje, ki se širi.

Skoraj nemogoče je preceniti pomen elektromagnetnih valov z vidika njihove uporabe pri delovanju sodobne tehnologije. Aplikacije: radijske oddaje. TV oddajanje Mobilne komunikacije Wi-fi in Bluetooth. Aparati

Uporaba elektromagnetnega valovanja v vsakdanjem življenju. Viri nizkofrekvenčnega sevanja (0 - 3 kHz) so vsi sistemi za proizvodnjo, prenos in distribucijo električne energije (dalekovodi, transformatorske postaje, elektrarne, razni kabelski sistemi), hišna in pisarniška elektrika. in elektronsko opremo, vključno z računalniškimi monitorji, prevozom na električni pogon, železniškim prometom in njegovo infrastrukturo ter metrojem, trolejbusom in tramvajem.

Med vire visokofrekvenčnega sevanja (od 3 kHz do 300 GHz) uvrščamo funkcionalne oddajnike - vire elektromagnetnih polj za oddajanje ali sprejemanje informacij. To so komercialni oddajniki (radio, televizija), radiotelefoni (avto, radiotelefoni, CB radio, amaterski radijski oddajniki, industrijski radiotelefoni), usmerjene radijske komunikacije (satelitske radijske komunikacije, zemeljske relejne postaje), navigacija (zračni promet, ladijski promet, radijska točka) , lokatorji (zračne komunikacije, ladijski promet, transportni lokatorji, kontrola zračnega prometa).

Vir elektromagnetnega polja v stanovanjskih prostorih je različna električna oprema - hladilniki, likalniki, sesalniki, električne pečice, televizorji, računalniki itd., pa tudi električna napeljava v stanovanju. Na elektromagnetno okolje stanovanja vpliva električna oprema stavbe, transformatorji in kabelski vodi. Električno polje v stanovanjskih stavbah je v območju 1 -10 V/m. Vendar pa lahko obstajajo točke na visoki ravni, kot je neozemljen računalniški monitor.

Rentgensko sevanje (sinonim rentgenski žarki) je elektromagnetno sevanje s širokim razponom valovnih dolžin (od 8·10 -6 do 10 -12 cm).

Rentgensko sevanje je ionizirajoče. Vpliva na tkiva živih organizmov in lahko povzroči radiacijsko bolezen, radiacijske opekline in maligne tumorje. Zaradi tega je treba pri delu z rentgenskimi žarki upoštevati zaščitne ukrepe. Menijo, da je škoda neposredno sorazmerna z absorbirano dozo sevanja. Rentgensko sevanje je mutagen dejavnik.

Sklep Hiter razvoj sektorjev nacionalnega gospodarstva je pripeljal do uporabe elektromagnetnih valov v vsej industrijski proizvodnji, medicini in vsakdanjem življenju. Poleg tega je v nekaterih primerih oseba izpostavljena njihovemu vplivu. Shelepalo K. Dmitriychuk V. 11 -A

Povzetek lekcije na to temo

»Lestvica elektromagnetnega valovanja. Lastnosti elektromagnetnega valovanja različnih frekvenčnih območij. Elektromagnetno valovanje v naravi in ​​tehniki"

Cilji lekcije: upoštevati lestvico elektromagnetnega valovanja, karakterizirati valovanje različnih frekvenčnih območij; prikazati vlogo različnih vrst sevanja v življenju človeka, vpliv različnih vrst sevanja na človeka; sistematizirati snov o temi in poglobiti znanje učencev o elektromagnetnem valovanju; razvijati ustni govor učencev, ustvarjalne sposobnosti učencev, logiko, spomin; kognitivne sposobnosti; razvijati zanimanje študentov za študij fizike; gojiti natančnost in trdo delo

Vrsta lekcije: pouk pri oblikovanju novega znanja

Oblika: predavanje s predstavitvijo

Oprema: računalnik, multimedijski projektor, predstavitev “Lestvica

elektromagnetni valovi"

Med poukom

Organiziranje časa

Motivacija za izobraževalne in kognitivne dejavnosti

Vesolje je ocean elektromagnetnega sevanja. Ljudje večinoma živijo v njem, ne da bi opazili valove, ki prežemajo okoliški prostor. Ko se grejemo ob kaminu ali prižigamo svečo, človek povzroči delovanje vira teh valov, ne da bi pomislil na njihove lastnosti. A znanje je moč: človeštvo je v 20. stoletju z odkritjem narave elektromagnetnega sevanja obvladalo in dalo v svojo uporabo najrazličnejše vrste.

Določitev teme in ciljev lekcije

Danes se bomo odpravili na potovanje po lestvici elektromagnetnih valov, razmislili o vrstah elektromagnetnega sevanja v različnih frekvenčnih območjih. Zapišite temo lekcije: »Lestvica elektromagnetnega valovanja. Lastnosti elektromagnetnega valovanja različnih frekvenčnih območij. Elektromagnetno valovanje v naravi in ​​tehniki".

Vsako sevanje bomo proučevali po naslednjem splošnem načrtu. Splošni načrt za preučevanje sevanja:

1. Ime območja

2. Pogostost

3. Valovna dolžina

4. Kdo ga je odkril?

5. Vir

6. Indikator

7. Uporaba

8. Vpliv na ljudi

Ko preučujete temo, morate izpolniti naslednjo tabelo:

"Lestvica elektromagnetnega sevanja"

Imesevanje	Pogostost	Valovna dolžina	Kdo je bil odprto	Vir	Indikator	Aplikacija	Vpliv na ljudi

Predstavitev novega gradiva

Dolžina elektromagnetnih valov je lahko zelo različna: od vrednosti reda 10 13 m (nizkofrekvenčne vibracije) do 10 -10 m ( - žarki). Svetloba predstavlja majhen del širokega spektra elektromagnetnega valovanja. Vendar pa so med preučevanjem tega majhnega dela spektra odkrili druga sevanja z nenavadnimi lastnostmi.
Običajno je poudariti nizkofrekvenčno sevanje, radijsko sevanje, infrardeči žarki, vidna svetloba, ultravijolični žarki, rentgenski žarki in - sevanje. Sevanje najkrajše valovne dolžine oddajajo atomska jedra.

Bistvene razlike med posameznimi sevanji ni. Vsi so elektromagnetni valovi, ki jih ustvarjajo nabiti delci. Elektromagnetne valove na koncu zaznamo po njihovem učinku na nabite delce . V vakuumu sevanje katere koli valovne dolžine potuje s hitrostjo 300.000 km/s. Meje med posameznimi območji sevalne lestvice so zelo poljubne.
Sevanje različnih valovnih dolžin se med seboj razlikujejo po tem, kako so prejemanje(sevanje antene, toplotno sevanje, sevanje pri zaviranju hitrih elektronov itd.) in metode registracije.

Vse naštete vrste elektromagnetnega sevanja ustvarjajo tudi vesoljska telesa in jih uspešno preučujejo z raketami, umetnimi zemeljskimi sateliti in vesoljskimi plovili. V prvi vrsti to velja za rentgensko sevanje in sevanje, ki ju ozračje močno absorbira.

Ko se valovna dolžina zmanjša kvantitativne razlike v valovnih dolžinah vodijo do pomembnih kvalitativnih razlik.

Sevanja različnih valovnih dolžin se med seboj močno razlikujejo po tem, da jih snov absorbira. Kratkovalovno sevanje (rentgenski žarki in predvsem -žarki) se slabo absorbirajo. Snovi, ki so neprozorne za optične valove, so prosojne za ta sevanja. Od valovne dolžine je odvisen tudi odbojni koeficient elektromagnetnega valovanja. Toda glavna razlika med dolgovalovnim in kratkovalovnim sevanjem je ta kratkovalovno sevanje razkriva lastnosti delcev.

Razmislimo o vsakem sevanju.

Nizkofrekvenčno sevanje pojavlja se v frekvenčnem območju od 3 10 -3 do 3 10 5 Hz. To sevanje ustreza valovni dolžini 10 13 - 10 5 m. Sevanje tako relativno nizkih frekvenc lahko zanemarimo. Vir nizkofrekvenčnega sevanja so generatorji izmeničnega toka. Uporablja se pri taljenju in utrjevanju kovin.

Radijski valovi zasedajo frekvenčno območje 3·10 5 - 3·10 11 Hz. Ustrezajo valovni dolžini 10 5 - 10 -3 m. Vir radijskih valov, pa tudi nizkofrekvenčnega sevanja, je izmenični tok. Vir je tudi radiofrekvenčni generator, zvezde, vključno s Soncem, galaksije in metagalaksije. Indikatorja sta Hertzov vibrator in oscilacijski krog.

Visoka frekvenca radijskih valov v primerjavi z nizkofrekvenčnim sevanjem povzroči opazno sevanje radijskih valov v vesolje. To jim omogoča uporabo za prenos informacij na različne razdalje. Prenašajo se govor, glasba (oddajanje), telegrafski signali (radijske komunikacije) in slike različnih predmetov (radiolokacija).

Radijski valovi se uporabljajo za preučevanje strukture snovi in ​​lastnosti medija, v katerem se širijo. Preučevanje radijskih emisij vesoljskih teles je predmet radioastronomije. V radiometeorologiji preučujemo procese na podlagi značilnosti sprejetih valov.

Infrardeče sevanje zavzema frekvenčno območje 3*10 11 - 3,85*10 14 Hz. Ustrezajo valovni dolžini 2·10 -3 - 7,6·10 -7 m.

Infrardeče sevanje je leta 1800 odkril astronom William Herschel. Med preučevanjem dviga temperature termometra, segretega z vidno svetlobo, je Herschel odkril največje segrevanje termometra zunaj območja vidne svetlobe (onkraj rdečega območja). Nevidno sevanje so glede na njegovo mesto v spektru poimenovali infrardeče. Vir infrardečega sevanja je sevanje molekul in atomov pod toplotnimi in električnimi vplivi. Močan vir infrardečega sevanja je Sonce, približno 50 % njegovega sevanja leži v infrardečem območju. Infrardeče sevanje predstavlja pomemben delež (od 70 do 80%) energije sevanja žarnic z žarilno nitko z volframovo nitko. Infrardeče sevanje oddajajo električni oblok in različne plinske sijalke. Sevanje nekaterih laserjev leži v infrardečem območju spektra. Indikatorji infrardečega sevanja so fotografije in termistorji, posebne fotoemulzije. Infrardeče sevanje uporabljamo za sušenje lesa, živil in raznih barv in lakov (infrardeče ogrevanje), za signalizacijo pri slabši vidljivosti, omogoča uporabo optičnih naprav, ki omogočajo vidnost v temi, ter za daljinsko upravljanje. Infrardeči žarki se uporabljajo za usmerjanje izstrelkov in izstrelkov do tarč ter za odkrivanje kamufliranih sovražnikov. Ti žarki omogočajo določanje temperaturnih razlik posameznih območij površine planetov in strukturnih značilnosti molekul snovi (spektralna analiza). Infrardeča fotografija se uporablja v biologiji pri proučevanju bolezni rastlin, v medicini pri diagnosticiranju kožnih in žilnih bolezni ter v forenziki pri odkrivanju ponaredkov. Ko je izpostavljen ljudem, povzroči zvišanje temperature človeškega telesa.

Vidno sevanje - edino območje elektromagnetnega valovanja, ki ga zazna človeško oko. Svetlobni valovi zavzemajo precej ozko območje: 380 - 670 nm ( = 3,85 10 14 - 8 10 14 Hz). Vir vidnega sevanja so valenčni elektroni v atomih in molekulah, ki spreminjajo svoj položaj v prostoru, pa tudi prosti naboji, ki se pospešeno premikajo. Ta del spektra daje osebi največ informacij o svetu okoli sebe. Po fizikalnih lastnostih je podoben drugim spektralnim območjem, saj je le majhen del spektra elektromagnetnega valovanja. Sevanje z različnimi valovnimi dolžinami (frekvencami) v vidnem območju ima različne fiziološke učinke na mrežnico človeškega očesa in povzroča psihološki občutek svetlobe. Barva ni lastnost elektromagnetnega svetlobnega valovanja sama po sebi, temveč manifestacija elektrokemičnega delovanja človeškega fiziološkega sistema: oči, živcev, možganov. Približno lahko poimenujemo sedem osnovnih barv, ki jih človeško oko razlikuje v vidnem območju (po naraščajoči frekvenci sevanja): rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo, vijolična. Zapomnitev zaporedja osnovnih barv spektra olajša stavek, katerega vsaka beseda se začne s prvo črko imena osnovne barve: "Vsak lovec želi vedeti, kje sedi fazan." Vidno sevanje lahko vpliva na potek kemijskih reakcij v rastlinah (fotosinteza) ter pri živalih in ljudeh. Vidno sevanje oddajajo nekatere žuželke (kresničke) in nekatere globokomorske ribe zaradi kemičnih reakcij v telesu. Absorpcija ogljikovega dioksida v rastlinah kot posledica procesa fotosinteze in sproščanje kisika pomaga ohranjati biološko življenje na Zemlji. Vidno sevanje uporabljamo tudi pri osvetljevanju različnih predmetov.

Svetloba je vir življenja na Zemlji in hkrati vir naših predstav o svetu okoli nas.

ultravijolično sevanje, očesu nevidno elektromagnetno sevanje, ki zavzema spektralno območje med vidnim in rentgenskim sevanjem v valovnih dolžinah 3,8 ∙ 10 -7 - 3 ∙ 10 -9 m ( = 8 * 10 14 - 3 * 10 16 Hz). Ultravijolično sevanje je leta 1801 odkril nemški znanstvenik Johann Ritter. S preučevanjem črnenja srebrovega klorida pod vplivom vidne svetlobe je Ritter odkril, da srebro še učinkoviteje črni v območju onkraj vijoličnega dela spektra, kjer vidnega sevanja ni. Nevidno sevanje, ki je povzročilo to črnjenje, se imenuje ultravijolično sevanje.

Vir ultravijoličnega sevanja so valenčni elektroni atomov in molekul, pa tudi hitro premikajoči se prosti naboji.

Sevanje trdnih snovi, segretih na temperaturo -3000 K, vsebuje opazen delež ultravijoličnega sevanja zveznega spektra, katerega intenzivnost narašča z naraščajočo temperaturo. Močnejši vir ultravijoličnega sevanja je katera koli visokotemperaturna plazma. Za različne uporabe ultravijoličnega sevanja se uporabljajo živosrebrne, ksenonske in druge sijalke na električni princip. Naravni viri ultravijoličnega sevanja so sonce, zvezde, meglice in drugi vesoljski objekti. Vendar le dolgovalovni del njihovega sevanja ( 290 nm) doseže zemeljsko površje. Za registracijo ultravijoličnega sevanja pri

 = 230 nm se uporabljajo običajni fotografski materiali, v območju krajših valovnih dolžin pa so nanj občutljive posebne fotografske plasti z nizko vsebnostjo želatine. Uporabljajo se fotoelektrični sprejemniki, ki izkoriščajo sposobnost ultravijoličnega sevanja, da povzroči ionizacijo in fotoelektrični učinek: fotodiode, ionizacijske komore, fotonski števci, fotopomnoževalci.

V majhnih odmerkih ima ultravijolično sevanje ugoden, zdravilen učinek na človeka, aktivira sintezo vitamina D v telesu in povzroča tudi porjavelost. Velika doza ultravijoličnega sevanja lahko povzroči kožne opekline in raka (80% ozdravljivih). Poleg tega prekomerno ultravijolično sevanje oslabi imunski sistem telesa, kar prispeva k razvoju nekaterih bolezni. Ultravijolično sevanje ima tudi baktericidni učinek: pod vplivom tega sevanja umrejo patogene bakterije.

Ultravijolično sevanje se uporablja v fluorescenčnih sijalkah, v forenziki (na fotografijah je mogoče odkriti ponarejene dokumente) in v umetnostni zgodovini (s pomočjo ultravijoličnih žarkov je mogoče na slikah odkriti nevidne sledi restavriranja). Okensko steklo praktično ne prepušča ultravijoličnega sevanja, ker Absorbira ga železov oksid, ki je del stekla. Zaradi tega se tudi na vroč sončen dan ne morete sončiti v sobi z zaprtim oknom.

Človeško oko ne vidi ultravijoličnega sevanja, ker... Roženica očesa in očesna leča absorbirata ultravijolično sevanje. Ultravijolično sevanje je vidno nekaterim živalim. Na primer, golob pluje po Soncu tudi v oblačnem vremenu.

Rentgensko sevanje - To je elektromagnetno ionizirajoče sevanje, ki zavzema spektralno območje med gama in ultravijoličnim sevanjem v valovnih dolžinah od 10 -12 - 10 -8 m (frekvence 3 * 10 16 - 3-10 20 Hz). Rentgensko sevanje je leta 1895 odkril nemški fizik W. K. Roentgen. Najpogostejši vir rentgenskega sevanja je rentgenska cev, v kateri elektroni, pospešeni z električnim poljem, bombardirajo kovinsko anodo. Rentgenske žarke lahko ustvarimo z obstreljevanjem tarče z visokoenergijskimi ioni. Kot viri rentgenskega sevanja lahko služijo tudi nekateri radioaktivni izotopi in sinhrotroni - naprave za shranjevanje elektronov. Naravni viri rentgenskega sevanja so Sonce in drugi vesoljski objekti

Rentgenske slike predmetov dobimo na posebnem rentgenskem fotografskem filmu. Rentgensko sevanje je mogoče zapisati z uporabo ionizacijske komore, scintilacijskega števca, sekundarnih elektronskih ali kanalnih elektronskih množiteljev in mikrokanalnih plošč. Zaradi visoke prodorne sposobnosti se rentgensko sevanje uporablja pri rentgenski difrakcijski analizi (preučevanje strukture kristalne mreže), pri preučevanju strukture molekul, odkrivanju napak v vzorcih, v medicini (rentgenski žarki, fluorografija, zdravljenje raka), v odkrivanju napak (odkrivanje napak na odlitkih, tirnicah), v umetnostni zgodovini (odkritje starodavne poslikave, skrite pod plastjo kasnejše poslikave), v astronomiji (pri proučevanju virov rentgenskih žarkov) in forenzični znanosti. Velik odmerek rentgenskega sevanja povzroči opekline in spremembe v strukturi človeške krvi. Izdelava rentgenskih sprejemnikov in njihova namestitev na vesoljske postaje je omogočila zaznavanje rentgenskega sevanja na stotine zvezd, pa tudi lupin supernov in celotnih galaksij.

Gama sevanje - kratkovalovno elektromagnetno sevanje, ki zavzema celotno frekvenčno območje  = 8∙10 14 - 10 17 Hz, kar ustreza valovnih dolžinah  = 3,8·10 -7 - 3∙10 -9 m Sevanje gama je odkril francoski znanstvenik Paul Villard leta 1900 Med preučevanjem sevanja radija v močnem magnetnem polju je Villar odkril kratkovalovno elektromagnetno sevanje, ki se tako kot svetloba ne odkloni z magnetnim poljem. Imenovali so ga sevanje gama. Sevanje gama je povezano z jedrskimi procesi, pojavi radioaktivnega razpada, ki se pojavljajo pri nekaterih snoveh, tako na Zemlji kot v vesolju. Gama sevanje lahko snemamo z ionizacijskimi in mehurčastimi komorami ter s posebnimi fotografskimi emulzijami. Uporabljajo se pri študiju jedrskih procesov in pri odkrivanju napak. Gama sevanje negativno vpliva na človeka.

Torej, nizkofrekvenčno sevanje, radijski valovi, infrardeče sevanje, vidno sevanje, ultravijolično sevanje, rentgenski žarki, -sevanje so različne vrste elektromagnetnega sevanja.

Če te vrste mentalno razvrstite glede na naraščajočo frekvenco ali padajočo valovno dolžino, boste dobili širok neprekinjen spekter - lestvico elektromagnetnega sevanja. (učitelj pokaže lestvico). Med nevarne vrste sevanja sodijo: sevanje gama, rentgensko in ultravijolično sevanje, ostala so varna.

Delitev elektromagnetnega sevanja na območja je pogojna. Med regijami ni jasne meje. Imena regij so se razvila skozi zgodovino in služijo le kot priročen način za razvrščanje virov sevanja.

Vsi razponi lestvice elektromagnetnega sevanja imajo skupne lastnosti:

fizična narava vseh sevanj je enaka

vse sevanje se v vakuumu širi z enako hitrostjo, ki je enaka 3 * 10 8 m/s

vsa sevanja imajo skupne valovne lastnosti (odboj, lom, interferenca, uklon, polarizacija)

5. Povzetek lekcije

Ob koncu lekcije učenci zaključijo z delom na mizi.

Zaključek: Celotna lestvica elektromagnetnih valov je dokaz, da ima vsako sevanje kvantne in valovne lastnosti. Kvantne in valovne lastnosti se v tem primeru ne izključujejo, temveč dopolnjujejo. Lastnosti valov so bolj jasne pri nizkih frekvencah in manj jasne pri visokih frekvencah. Nasprotno pa so kvantne lastnosti bolj jasne pri visokih frekvencah in manj jasne pri nizkih frekvencah. Krajša kot je valovna dolžina, svetlejše so videti kvantne lastnosti in daljša kot je valovna dolžina, svetlejše so valovne lastnosti. Vse to služi kot potrditev zakona dialektike (prehod kvantitativnih sprememb v kvalitativne).

zadnji stolpec (vpliv EMR na ljudi) in

pripravi poročilo o uporabi EMR

), ki opisuje elektromagnetno polje, je teoretično pokazal, da lahko elektromagnetno polje v vakuumu obstaja v odsotnosti virov - nabojev in tokov. Polje brez virov ima obliko valovanja, ki se širi s končno hitrostjo, ki je v vakuumu enaka hitrosti svetlobe: z= 299792458±1,2 m/s. Sovpadanje hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja v vakuumu s predhodno izmerjeno hitrostjo svetlobe je Maxwellu omogočilo sklep, da je svetloba elektromagnetno valovanje. Podoben zaključek je pozneje postal osnova elektromagnetne teorije svetlobe.

Leta 1888 je teorija elektromagnetnih valov dobila eksperimentalno potrditev v poskusih G. Hertza. Z uporabo visokonapetostnega vira in vibratorjev (glej Hertzov vibrator) je Hertz lahko izvedel subtilne poskuse za določitev hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja in njegove dolžine. Eksperimentalno je bilo potrjeno, da je hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja enaka hitrosti svetlobe, kar je dokazalo elektromagnetno naravo svetlobe.

Skoraj vse, kar vemo o vesolju (in mikrosvetu), nam je znano po zaslugi elektromagnetnega sevanja, to je nihanja električnega in magnetnega polja, ki se v vakuumu širijo s svetlobno hitrostjo. Pravzaprav je svetloba posebna vrsta elektromagnetnega valovanja, ki ga zaznava človeško oko.

Natančen opis elektromagnetnih valov in njihovega širjenja podajajo Maxwellove enačbe. Vendar je ta proces mogoče kvalitativno razložiti brez kakršne koli matematike. Vzemimo mirujoči elektron – skoraj točkast negativni električni naboj. Okoli sebe ustvari elektrostatično polje, ki vpliva na druge naboje. Na negativne naboje deluje odbojna sila, na pozitivne naboje pa privlačna sila in vse te sile so usmerjene strogo vzdolž polmerov, ki prihajajo iz našega elektrona. Z razdaljo vpliv elektrona na druge naboje oslabi, vendar nikoli ne pade na nič. Z drugimi besedami, v celotnem neskončnem prostoru okoli sebe elektron ustvarja radialno polje sile (to velja le za elektron, ki v eni točki večno miruje).

Recimo, da je določena sila (ne bomo navajali njene narave) nepričakovano zmotila preostali del elektrona in ga prisilila, da se premakne nekoliko vstran. Zdaj bi se morale silnice oddaljiti od novega središča, kamor se je premaknil elektron. Toda električno polje, ki obdaja naboj, se ne more takoj spremeniti. Na dovolj veliki razdalji bodo silnice še dolgo kazale na prvotno mesto naboja. To se bo dogajalo, dokler se ne približa val prestrukturiranja električnega polja, ki se širi s svetlobno hitrostjo. To je elektromagnetno valovanje, njegova hitrost pa je temeljna lastnost prostora v našem vesolju. Seveda je ta opis zelo poenostavljen, nekateri pa celo preprosto napačni, vendar daje prvi vtis o tem, kako se elektromagnetni valovi širijo.

Evo, kaj je narobe s tem opisom. Opisani proces pravzaprav ni valovanje, to je periodični nihajni proces, ki se širi. Distribucijo imamo, a ni zadržkov. Toda to napako je zelo enostavno popraviti. Prisilimo isto silo, ki je elektron pripeljala iz prvotnega položaja, da ga takoj vrne na svoje mesto. Nato bo prvemu prestrukturiranju radialnega električnega polja takoj sledilo drugo, ki bo povrnilo prvotno stanje. Pustimo zdaj, da elektron občasno ponovi to gibanje, potem pa bodo resnični valovi tekli vzdolž radialnih silnic električnega polja v vseh smereh. Ta slika je že veliko boljša od prve. Vendar pa tudi ni povsem pravilno - izkaže se, da so valovi čisto električni in ne elektromagnetni.

Tukaj je čas, da se spomnimo zakona elektromagnetne indukcije: spreminjajoče se električno polje ustvarja magnetno polje in spreminjajoče se magnetno polje ustvarja električno. Zdi se, da sta ti dve področji med seboj povezani. Čim ustvarimo valovito spremembo električnega polja, se temu takoj doda magnetno valovanje. Tega para valov je nemogoče ločiti - to je en sam elektromagnetni pojav.

Opis lahko še izboljšate, postopoma se znebite netočnosti in grobih približkov. Če zadevo pripeljemo do konca, bomo le dobili že omenjene Maxwellove enačbe. Toda ustavimo se na pol poti, saj je za nas trenutno pomembno le kvalitativno razumevanje problematike, vse glavne točke pa so že razvidne iz našega modela. Glavna je neodvisnost širjenja elektromagnetnega valovanja od njegovega vira.

Pravzaprav se valovi električnega in magnetnega polja, čeprav so nastali zaradi nihanja naboja, še zdaleč ne širijo povsem neodvisno. Karkoli se zgodi z izvornim nabojem, signal o njem ne bo dohitel odhajajočega elektromagnetnega valovanja - navsezadnje se ne bo širil hitreje od svetlobe. To nam omogoča, da elektromagnetne valove obravnavamo kot neodvisne fizikalne pojave skupaj z naboji, ki jih ustvarjajo.

Vsi valovni procesi so opisani z isto vrsto matematičnih enačb. Lastnosti, ki jih kažejo valovi, so prav tako enake in so lastne valovom katere koli narave.

Najpomembnejši valovni lastnosti sta interferenca in uklon.

motnje– superpozicija dveh valov, pri kateri se valovi s časom enakomerno krepijo na nekaterih točkah prostora in oslabijo na drugih. Interferenca pojasnjuje na primer mavrične črte na milnih mehurčkih, površinah luž in na krilih žuželk.

Nujen pogoj za nastanek in stabilnost interferenčnega vzorca je skladnost valovi, tj. natančno sovpadanje njihovih frekvenc in konstantnost amplitud skozi čas. Enakost amplitud ni potrebna, vpliva le na kontrast slike.

Naravni viri valov niso koherentni, za pridobitev interferenčnega vzorca z njihovo pomočjo se je treba zateči k različnim tehnikam - delitev valovanja iz enega vira na dele. Lasersko sevanje ima visoko stopnjo koherence.

Difrakcija– pojav, ki sestoji iz upogibanja valov okoli prostorskih nehomogenosti. Val tako pade v območje geometrijske sence. Za opazovanje uklona je potrebno, da je velikost nehomogenosti primerljiva z valovno dolžino: d~l. Tako bo val od kamna, vrženega v vodo, doživel difrakcijo na kupu ali kamnu, ki štrli nad gladino vode, ne bo pa "opazil" tankega stebla šaša.

Interferenca in uklon sta tipični valovni lastnosti. Res je tudi nasprotno: če opazimo te pojave, potem lahko objekt z gotovostjo štejemo za val. Te izjave so se izkazale za izjemno plodne pri preučevanju pojavov mikrosvetov.

Elektromagnetno valovanje v naravi in ​​tehniki.

Najbolj jasno si predstavljamo valovanje, ko govorimo o valovanju na vodi. Vendar jih celo vidimo zahvaljujoč elektromagnetnemu valovanju – svetlobi. V naravi in ​​tehniki so to najbolj pogosta valovanja zaradi zelo širokega razpona možnih frekvenc in valovnih dolžin. Elektromagnetni valovi se vedno generirajo električni naboji, ki se gibljejo neenakomerno (tj. s pospeškom). Elektromagnetno valovanje je vedno prečno.

Dajmo lestvica elektromagnetnega valovanja , kar kaže na njihov izvor. Meje odsekov lestvice so precej poljubne; vprašanje, katero vrsto valov razvrstiti, je odvisno predvsem od njihove narave.

Radijski valovi 10 km > l > 1 mm– nastane z izmeničnim električnim tokom. Razpon 1 m > l > 1 mm klical mikrovalovne pečice(mikrovalovni valovi).

Optični valovi 1 mm > l > 1 nm– nastanejo zaradi kaotičnega toplotnega gibanja molekul, prehodov elektronov znotraj atomov.

Rentgenski valovi 10 -8 m > l > 10 -12 m nastanejo, ko se elektroni v snovi upočasnijo.

Gama sevanje l< 10 -11 м nastane med jedrskimi reakcijami.

Območje optičnih valovnih dolžin je razdeljeno na infrardeče (IR), vidno in ultravijolično (UV) območje. Človeško oko zaznava ozek del spektra: 0,78 µm > l > 0,38 µm.Človek najbolje zaznava l = 555 nm (rumeno-zelena svetloba).

Avtovalovi.

Posebna vrsta valovanja lahko obstaja v aktivnih medijih ali v energijsko podprtih medijih. Zaradi notranjih virov medija ali zaradi dovoda energije od zunaj se lahko valovanje širi brez slabljenja in ne da bi spremenil svoje lastnosti. Takšni samovzdrževalni valovi v nelinearnih medijih se imenujejo avtovalovi (R.V. Khokhlov).

Avtovalove so odkrili pri reakcijah zgorevanja, pri prenosu vzbujanja po živčnih vlaknih, mišicah, mrežnici očesa, pri analizi velikosti bioloških populacij itd.

Predpogoj za obstoj avtovalov je nelinearnost okolje, tj. odvisnost lastnosti medija od lastnosti valovanja. Val sam tako rekoč določa količino energije, ki je potrebna za ohranjanje njegovih lastnosti, in s tem izvaja povratne informacije .

Predavanje 10.

Zakoni mikrosveta. Delčno-valovni dualizem snovi. Načelo komplementarnosti in problem vzročnosti.

M. Planckova hipoteza o energijskih kvantih.

Valovne lastnosti svetlobe so znane že dolgo, od 17. stoletja. Vendar šele v 2. polovici 19. st. Končno je bilo dokazano, da je svetloba elektromagnetno valovanje.

Vendar pa je bilo nekaj pojavov, ki jih ni bilo mogoče razložiti s stališča valovne narave svetlobe. Med temi pojavi - rahel pritisk , kar je enostavno eksperimentalno dokazati, in fotoefekt , ki ga je podrobno preučil P.N. Lebedev. Fotoelektrični učinek je sestavljen iz svetlobe, ki izbije elektrone s površine kovine; Pojavi se električni tok, imenovan fototok. Zakoni fotoelektričnega učinka so takšni, da je bolj naravno sevanje, ki ga povzroča, obravnavati kot tok določenih delcev in ne kot valovanje.

Drugi problem, ki ga ni bilo mogoče rešiti na podlagi valovne teorije svetlobe, so poimenovali sodobniki "ultravijolična katastrofa". Valovna teorija predvideva, da bi morala biti energija toplotnega sevanja (tj. elektromagnetnega valovanja, ki ga oddaja katero koli telo zaradi toplotnega gibanja njegovih molekul) večja, čim višja je njegova frekvenca. To pomeni, da mora biti v območju UV-valovnih dolžin oddanih toliko energije, da bo telo vso energijo porabilo za toplotno sevanje. Eksperiment je pokazal popolno neskladje s klasično teorijo valov. Realno toplotno sevanje ni monotono odvisno od frekvence, obstaja frekvenca, pri kateri je jakost sevanja največja, pri visokih in nizkih frekvencah teži k 0. Posledično klasična valovna teorija toplotnega sevanja ni ustrezno opisala.

Leta 1900 je M. Planck predstavil hipotezo, po kateri segreto telo ne oddaja energije neprekinjeno, temveč v ločenih delih, ki so jih leta 1905 imenovali kvanti . Energija enega kvanta je sorazmerna s frekvenco sevanja:

konstanta h = 6,63 10 -34 J s, ћ = ћ/2p = 1,055 10 -34 J s – Planckove konstante. (Upoštevajte, da dimenzija ћ sovpada z dimenzijo kotne količine. Količino ћ včasih imenujemo "kvant delovanja").

Planckova konstanta je ena temeljnih fizikalnih konstant. Naš svet je to, kar je, predvsem zato, ker ima ћ natanko ta in ne kak drug pomen.

Tako je bil val, ki je bil prej obravnavan kot neprekinjen, predstavljen v diskretni obliki. Ta hipoteza se je izkazala za zelo plodno in je omogočila kvantitativni opis toplotnega sevanja v popolnem skladu z eksperimentom. Pri razvoju Planckove hipoteze je bilo predpostavljeno, da se valovanje ne le oddaja, ampak tudi širi in absorbira v obliki kvantov. Vendar ni bilo jasno, ali je diskretna narava sevanja lastnost sevanja samega ali pa je posledica njegove interakcije s snovjo. Prvi, ki je razumel, da je diskretnost sestavni del sevanja, je bil Einstein, ki je to idejo uporabil v svoji študiji fotoelektričnega učinka.